Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-рыбохозяйственное значение зон смешения речных и морских вод Азовского моря

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-рыбохозяйственное значение зон смешения речных и морских вод Азовского моря"

На правах рукописи

Шишкин Валентин Михайлович

ЭКОЛОГО-РЫБОХОЗЯИСТВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЗОН СМЕШЕНИЯ РЕЧНЫХ И МОРСКИХ ВОД АЗОВСКОГО МОРЯ

Специальность 03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ростов-на-Дону 2004

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства» (ФГУП "АзНИИРХ").

Научный руководитель: доктор биологических наук

Корниенко Галина Гавриловна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

Вальков Владимир Фёдорович

доктор биологических наук, Бакаева Елена Николаевна

Ведущая организация: Межведомственная Ихтиологическая

Комиссия (г. Москва)

Защита состоится" 24 " декабря_2004 г. в 15 часов

На заседании Диссертационного Совета К.307. 011.01. при Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства» (ФГУП "АзНИИРХ") по адресу г. Ростов-на-Дону, ул. Береговая, 21/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства

Автореферат разослан " 24 " ноября_2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Кандидат биологических наук

Зинчук О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований.

Азовское море в естественных условиях формирования водно-солевого режима являлось водоемом с очень высокой рыбопродуктивностью (до 80 ц рыбы с га), что позволяло считать это море самым продуктивным в Мировом океане (Воловик, 2002). Столь значимый рыбохозяйственный потенциал моря обеспечивался, главным образом, его мелководностью и, как следствие, хорошим прогревом вод, а также высоким показателем суммарного речного стока, формирующего в эстуарных районах моря зоны смешения речных и морских вод. Некоторые исследователи (Симонов, 1958; Михайлов, 1971; Бронфман, 1973; Кукса, 1987 и др.) называют зоны смешения «опресненными зонами». Локализуясь в предустьевых областях, опресненные зоны представляют собой своеобразный биологический фильтр (буферную среду) в системе «река-море», выполняющий адаптационные функции при скате молоди проходных и полупроходных рыб из рек в море. Существует мнение, что площади зон опреснения являются «четким индикатором урожайности» поколений рыб (Богучарсков, Косолапое, Кувалкин, 2002). Поступающие с речных водосборов воды, трансформируясь, привносят в море значительное количество биогенных и органических веществ, на базе которых и формируется биологическая продуктивность моря (Книпович, 1938, Одум, 1975). Пространственная и временная изменчивость размеров зон смешения, качественные характеристики, вариабельность гидролого-гидрохимических и гидробиологических показателей во многом предопределяют продукционную способность водоема. Благоприятный солевой режим, формирующийся в зонах смешения, способствует высокой концентрации в них молоди ценных видов рыб (граница толерантности, например, для молоди судака, находится между изохалинами от 7 до 12,5%о)(Хлебович, 1974).

Антропогенно-климатические воздействия на биологические ресурсы Азовского моря в известной степени (Спичак, 1964; Ворович и др., 1977; Бронфман, Дубинина, Макарова, 1979 Воловик, 1997 и др.). Однако наряду с такими факторами, определяющими условия обитания промысловых объектов Азовского моря, как термический режим в системе «вода-воздух», колебания материкового стока, водно-солевой баланс моря, формирование режима солености особую актуальность в выявлении причинно-следственных закономерностей изменения экологической ситуации в бассейне Азовского моря приобретают исследования пространственно-временной структуры опресненных зон. Ареалы опресненных зон подвержены существенной изменчивости в зависимости от фазы водности рек, впадающих в Азовское море. В годы повышенной водности рек Дон и Кубань, образующиеся на взморье зоны смешения вод характеризуются значительными размерами (особенно при стонах) и, наоборот, в фазы низкой водности (и при нагонах) их площади уменьшаются (Симонов, 1958; Родионов, 1958;

Ж <

5

|§11 ци

о

о

Бронфман, Шишкин, 1971). В период естественного режима Азовского моря при среднегодовой солености до 10,6%о прибрежные районы моря, приуроченные к дельтовым рукавам и лиманным гирлам, отличались высокой эффективностью воспроизводства леща, судака, тарани и др. видов рыб (Таманская, 1962; Троицкий, Цуникова, 1988), а объемы рыбодобычи достигали 3 млн. ц (Кустов, 1968). Глубокие структурные преобразования в экосистеме Азовского моря, происшедшие на фоне зарегулирования речного стока, экономической депрессии и реструктуризации промысла в бассейне, привели к катастрофическому снижению уловов ценных видов рыб до 17 тыс. ц (Воловик, 2002).

Поиск путей «реанимации» Азовского моря на основе научно-обоснованного подхода к управлению со сменами некоторых приоритетов бассейновой водохозяйственной политики, на наш взгляд, должен осуществляться с применением системной методологии, в частности, -с набором в качестве «тест-объектов» ряда абиотических и биотических элементов, четко реагирующих на изменения среды в зависимости от «поведения» опресненных зон, общей солености моря, термического режима и стока рек под воздействием антропогенно-климатических факторов. Этот подход и был положен в основу исследований, проведенных в рамках плановых научных работ ФГУП «АзНИИРХ», среди которых КЦП «Комплекс», ГНШ «Мировой океан» и «Моря СССР» предусмотренные Государственным Комитетом РФ по рыболовству исследования по темам: «Разработать научные основы охраны рыбохозяйственных водоемов от загрязнения и провести комплексные исследования биоресурсов Азово-Черноморского бассейна с целью их рациональной эксплуатации, сохранения и разработки долгосрочных перспектив развития рыболовства» (Проект «Биоресурсы»), «Изучить закономерности формирования и распределения биологической и промысловой продуктивности водоемов Азово-Черноморского бассейна» и. т.д. Востребованность подобных исследований Государственными программами подтверждает актуальность выполненной работы. Цели и задачи исследований

Главная цель исследований - оценить эффективность использования водных и биологических ресурсов Азовского моря.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Оценить роль климатических и антропогенных факторов в формировании биотической и абиотической структуры зон смешения речных и морских вод, как составляющей экосистемы Азовского моря;

2. Изучить пространственно-временную структуру опресненных зон (на примере Таганрогского залива и устьевого взморья р. Кубань);

3. Разработать модель расчета стоковых течений и солености на устьевых взморьях, произвести ее верификацию;

4. Оценить влияние зон смешения морских и речных вод на

формирование биологической продуктивности Азовского моря;

5. Выявить пути оптимизации параметров экосистемы

Азовского моря в соответствии с требованиями рыбного хозяйства.

Научная новизна.

В работе впервые проведена оценка некоторых специфических параметров процесса трансформации речных вод, поступающих на устьевые взморья Дона и Кубани, в частности изучена пространственно-временная изменчивость гидрофизических, гидрохимических характеристик и динамика зон смешения речных и морских вод во взаимосвязи с основными режимоформирующими факторами.

Получены и апробированы модели (стоковых течений, расходов и солености воды), позволяющие рассчитывать размеры опресненных зон в пространственно-временном масштабе. В качестве «тела», интерпретирующего объем вовлеченных в движение к открытому морю смешанных вод, принят конус их растекания и использована трехмерная система координат. Для приглубого взморья р. Кубань принято условие «выклинивания» опресненных вод как менее плотных, по сравнению с окружающими их «чисто» морскими водами. Смешение вод по вертикалям на взморье р. Дон, вследствие значительной его мелководности, практически происходит до дна, что позволило при моделировании считать структуру этих вод гомохалиной. В основу разработки приема расчета стоковых течений кубанского взморья впервые положена теория динамики тел переменной массы.

Модели позволяют рассчитывать значения в любой заданной точке приемного бассейна. В этом контексте впервые дана количественная оценка влияния размеров зон смешения на рыбопродуктивность Азовского моря. В процессе моделирования к натурным данным присовокуплены расчетные поля опресненных зон за достаточно длительный временной период (1960-2003 гг.). Впервые для естественного режима Азовского моря восстановлены отдельные по виду и рыбопромысловой значимости зоны (от 0 до 8-9%о), характерные для скатывающейся молоди полупроходных рыб с кубанских лиманных нерестилищ. На основании полученных данных проанализирована взаимосвязь рыбопродуктивности Азовского моря и динамики опресненных зон, уровень статистической значимости которой достаточно высок.

Практическая значимость

Исходные и расчетные размеры опресненных зон, материалы картирования полей солености использованы в интеллектуальной распределительной системе поддержки принятия решений по оценке прогнозирования и квотирования биологических ресурсов Азовского моря «Азов». Они применяются для биогидрологической и экологической экспертизы продуктивности ихтиофауны в различные по солевому режиму временные периоды функционирования экосистемы Азовского моря, являются составной частью формируемого в АзНИИРХе банка данных по

абиотической компоненте среды Азовского моря, вошли в научно-справочное пособие проекта «Моря СССР», T.V «Азовское море».

Представленные модели дают возможность поэтапно реализовать расчеты стоковых течений, солености, размеров зон смешения речных и морских вод.

Результаты моделирования процессов, протекающих на взморьях рек Дона и Кубани, используются при необходимости оперативного определения адаптационных условий на путях движения скатывающихся к морю молоди рыб, а также при составлении рыбохозяйственных прогнозов, базирующихся на абиотических предикторах. Они необходимы при исследовании эволюций халинной структуры вод не только непосредственно находящихся в эстуарных водоемах, но и в пограничных с ними зонах прибрежной полосы Азовского моря.

Результаты моделирования являются основополагающим этапом в поисковых и прогностических исследованиях, . реализуемых в изменяющихся условиях функционирования экосистемы Азовского моря, и служат аналогом для решения идентичных проблем на устьевых взморьях морей России.

Положения, выносимые на защиту:

результаты исследований процессов формирования стоковых течений на взморьях Кубани и Дона как абиотических факторов, определяющих динамику опресненных зон в спектре синоптического масштаба изменчивости.

гидродинамическая плановая модель стоковых течений и расчет с ее помощью солености, опресненных зон на приглубом взморье (на примере устья Кубани).

выбор и обоснование методики расчета солености и зон смешения в Таганрогском заливе (устьевой области Дона).

результаты по выявлению динамики размеров зон смешения и их воздействий на формирование рыбопродуктивности Азовского моря в различные фазы формирования его солевого режима.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на межлабораторных семинарах и заседаниях ученого совета АзНИИРХ (г.Ростов-на-Дону, 1971-2003г.) на международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых конференциях по эколого-гидрологическим проблемам (Краснодар, 1974; Москва, 1979,1982; Калининград, 1989; Ростов-на-Дону, 1996; Мурманск, 2002; Тольятти,2003 и др.)

Личный вклад автора

Автор является непосредственным участником экспедиционных исследований, проводимых в Азовском море, Таганрогском заливе, устьевых взморьях рек Дона и Кубани в период 1968-2004 гг. Большая часть экспедиционных исследований стала исходным материалом для выполнения диссертационной работы. Автором обработаны, проанализированы и систематизированы экспедиционные данные,

выполнена математико-статистическая оценка параметров, разработаны алгоритмы решения задач и создан ряд моделей.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 107 страницах, текста, включая 13 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 83 наименований.

Содержание работы

Во введении отражена актуальность темы диссертации, обоснованность ее направленности на решение определенного вида задач, в т.ч. и рыбохозяйственной значимости, обозначены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Гидрология Азовского моря и предустьевых зон рек Дона и Кубани» рассмотрены реальные ситуации функционирования азовоморской экосистемы и подсистем, включающих устьевые взморья рек Дон и Кубань. Подчеркивается, что процессы внутреннего и внешнего характера протекают по сложным законам, что объясняется генерацией в живых системах биологических ритмов и их "биений" в широком спектре сигналов, а также воздействиями на среду обитания климатических и антропогенных факторов. В этой связи для описания режима среды обитания необходимо располагать длинными рядами наблюдений и сопоставимой с ними «весьма точной» (Элтон, 1934) экологической информацией. Анализ многолетних наблюдений, проведенных в открытом море и устьях рек, позволил поэтапно выявить эволюционный характер физико-биологического формирования облика Азовского моря. Автором проанализированы исторические моменты в развитии экосистемы Азовского моря, отраженные целым рядом исследований (Книпович, 1932,1938; Воронков, Свиташев,1941; Зубов,1947; Симонов, 1958; Родионов, 1958; Ижевский, 1961,1964; Спичак, 1964; Бронфман, Дубинина, Макарова, 1979; Аведикова, Кукарина, Шуватова, 1983; Закутский, Луц, Шишкин, 1983; Гаргопа и др., 1983; Гаргопа, Шишкин, Студеникина, 1983; Воловик, 2002; Корниенко, 2002; Шишкин, 2002, 2004; и др.), выявляющих роль антропогенного воздействия, особенно ощутимо влияющего на формирование солености моря.

Кроме того, выполненный обзор литературных данных по вопросу исследований отражает те или иные особенности в пространственно-временной структуре экосистемы моря, степень ее изученности и подтверждает необходимость проведения экологического мониторинга Азовского моря в перспективе.

Во второй главе «Материалы и методика исследований» излагаются методико-методологические направления и обосновываются системные подходы решения эколого-рыбохозяйственных проблем. Исходный материал базируется на многочисленных съемках Азовского моря (порядка 120 экспедиций). Работы выполнялись согласно общепринятым методическим пособиям, руководящим документам и

наставлениям: «Руководство по гидрологическим исследованиям прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях», 1972; «Руководство по гидрологическому исследованию морских устьев рек», 1965; «Руководство по методам химического анализа морских вод», 1977; «Океанографические таблицы», 1975; «Наставление гидрометеорологическим станциям и постам». Вып. 9, 1999; и др.

Инструментарий для математико статистической обработки многолетних рядов (1965-2004 гг.), многофакторный их анализ с применением гидродинамических подходов проводился с помощью ЭВМ, класс которых варьировал в широком диапазоне: от вычислительных машин первых поколений («Наири - 2») до современных персональных компьютеров (с применением программ «Excel», «Surfer» и «Statistica») Огромный объем информации, используемый автором при написании диссертации, получен в комплексных океанографических экспедициях при участии следующих подразделений АзНИИРХ: лаборатории гидрологии и гидрохимии, сектора гидрологических исследований и отдела океанографии, а также в рамках договора о творческом содружестве и совместных экспедициях с сотрудниками Государственного океанографического института и его Севастопольского отделения (ГОИН и СО ГОИН), Донской и Кубанской устьевых станций( ДУС и КУС). Экспедиционные работы проводились на судах различного типа, включая маломерный флот («Профессор Васнецов», «Ихтиолог», «Гидробиолог», «Норд», СЧС-86, «Гидрозонд», «Задорный», арендованных судах рыбохозяйственного флота и др.). Для учета влияния климатических факторов в работе использованы данные Северо-Кавказского Управления по гидрометеорологии и контролю природной среды.

В работе применяется конкретный апробированный в исследованиях системный подход (Бронфман,1985; Кукса, 1987), модифицированный нами для Азовского моря. Для этого в расчет принята модель по экосистемной классификации «эстуарий» с открытым входом для поступления энергии с речными и лиманными водами, функцией «скат-нагул молоди - кормовые условия» в промежуточном звене и на выходе -сигналом, трактуемом как продуктивность, оцениваемая по динамике уловов рыб (Pritchard, 1967; Одум, 1975).

В третьей главе «Трансформация смешанных вод в предустьевых зонах Дона и Кубани описываются процессы трансформации смешанных вод в предустьевых зонах рек Дон и Кубань. Отмечается, что в связи со спецификой структурного формирования вод в зонах смешения так называемого «аутвеллинга» оценка их в пространственном измерении на акваториях, как у отмелого, так и у приглубого взморья традиционными океанологическими методами, например, по TS-кривым, на наш взгляд, не пригодна. Поэтому в работе предлагается дифференцировать изменчивость процессов смешения вод по «поведео» кривой странственного

изменения в воде щелочного резерва (^С" или по-другому, -

щелочно-хлорного коэффициента. Мера изменчивости этой характеристики оценена коэффициентом вариации 0(. На примере вод Таганрогского залива показано, что резкие изменения в ходе кривых Ас и ^ (рис.1) позволяют в определенной мере идентифицировать зональность трансформируемого потока. Анализ участков в области резких изменений хода кривых позволяет выделять в этом месте границы в структуре вод, т. е. по горизонтали (оси х). Зона трансформации вод простирается до тех районов акватории в которых процесс фронтогенеза уже не может быть описан с постоянными изменениями в гидрологическом показателе, т.е. в математическом смысле здесь начинает проявляться некоторая конечная производная по расстоянию, в зависимости от градиента гидрологической характеристики Ас.

Рис.1. Схема выявления основных поверхностей и зон для случая взаимодействия речных и смешанных вод в Таганрогском заливе.

Ас - кривая изменения щелочного резерва по мере приближения к

морскому краю дельты; Су- кривая коэффициента вариации щелочного резерва;

I-Ш-районы структурных изменений солености в Таганрогском заливе; а,б,с- границы структур; Оцифровка линий в заливе характеризует изменчивость солености вдоль оси.

Условия формирования и взаимодействия водных структурированных масс суммируются из следующих моментов:

1. Западную часть Таганрогского залива - I район занимают сравнительно устойчивые по характеристикам воды собственно залива (grad Ас незначителен и больше 0; grad Су примерно равен 0). Нижней границей этих вод является изохалина около 5%о , а верхней - примерно 11%о, по нашим расчетам за период 1955-1975 гг.-10,73 %о.

2. Зона трансформации II располагается между изохалинами 5%о и 3%о, т.е. в тех районах залива, где наблюдается резкий рост и значительная изменчивость параметров Ас и Су. Причем, величина Су стремится к максимуму и достигает значительных отметок в третьей фронтальной зоне. Необходимо отметить, что во второй зоне происходит существенное нарушение постоянства солевого состава. Поэтому в зоне II при вычислении солености по хлору для вод с солёностью ниже 4%о не рекомендуется (Цурикова, Шульгина, 1964) использовать линейную зависимость типа (где, - постоянные величины), а следует применять более сложные математические выражения.

3. Во фронтальной зоне III (оконтуренной изохалинами 3-1%о), на её границе (около 3%о) Су, достигнув максимума, меняет свой знак на противоположный. Одновременно 1%о- изохалина условно является границей раздела между речными и морскими водами.

4. В районе IV находятся пресные речные воды.

Необходимо отметить, что, вследствие значительной кинетической энергии, заключенной в стоковых течениях, исходящих из донских гирл с сопутствующими сгонами и нагонами, а также из-за мелководности районов Таганрогского залива, процесс солевого перемешивания вод, как правило, происходит до дна.

Формирование вертикальной структуры вод при их смешении у приглубого взморья на примере Кубани (рис.2) и динамика опресненных зон коренным образом отличаются от выше рассмотренной схемы трансформации вод донского типа. Характер формирования полей солености обусловливается не только дальностью проникновения в море речных струй из кубанских рукавов, но и открытостью взморья, а структурные вертикальные особенности определяются в зависимости от градиента солености (придонной плотности подстилающих вод). Немаловажная роль при этом отводится орографии береговой черты, локальным морфометрическим параметрам дна (в частности, размеру баровой отмели) и синоптическим ситуациям (рис.3).

До настоящего времени устьевые взморья изучались как зоны резких градиентов солености (Симонов, 1958) и как последовательные этапы трансформации солевого состава вод (Цурикова, Шульгина, 1964), т.е. без увязки с проблемой их экологической значимости. На устьевых взморьях Азовского моря зоны трансформации вод из речных в морские являются специфическими водными объектами. Их экологическая значимость показана проведенными исследованиями. Происходящие в них

преобразования (в гидрофизических и гидрохимических характеристиках), интенсивность их изменчивости в процессе трансформации во многом определяют свойства буферной среды, а следовательно и количественный состав скатывающейся в море молоди, формируя будущее поколение вида. Поэтому важны не только размеры и расположение таких зон в Азовском море, но и, главным образом, их качественная характеристика.

Рис. 2. Модель стокового потока на приглубом взморье (на примере Кубани): а - план; б - профиль; в - общий вид.

В четвертой главе «Методы расчета параметров опресненных зон» трактуется необходимость реконструкции площадей опресненных зон для Азовского моря, и особенно за те временные периоды, когда отсутствовали натурные наблюдения в его прибрежных районах, включая и устья рек. С этой целью, а также в связи с большими техническими сложностями, возникающими при сборе объективной информации в полевых условиях на взморье Кубани, нами была осуществлена разработка гидродинамической модели, позволяющей рассчитывать параметры опресненных зон (0-9%о) на приглубом взморье Кубани (Шишкин 1973) При разработке модели использовано уравнение об изменении

кинетической энергии переменной массы применительно к трансформирующемуся на взморье потоку.

Для облегчения расчетов растекание струи представлено в виде плановой модели (рис2), очертания которой, как массы, обрисовываются через однофакторную (по оси х) связь (Шишкин, 1973):

где: - постоянная и переменная составляющие изменяющейся

массы (соответственно выделены фигурными скобками); У -- удельный вес воды;

- удаление гребня бара от замыкающего створа; 3 - ускорение свободного падения;

Ья - ширина потока на замыкающем створе; Ь0 - ширина потока над баром; Ьд - глубина потока на замыкающем створе; И,, - глубина потока над баром;

- глубина потока на расстоянии х от замыкающего створа; h - глубина потока на свале глубин бара;

- угол растекания потока после прохождения им бара; х - расстояние по оси потока от замыкающего створа до заданного. Параметр характеризует степень выклинивания речных вод на взморье и может быть приближенно оценен следующей формулой:

Ь'х = Ь - а (х - Се) (2)

где: а - коэффициент уменьшения глубины потока.

Как показывают материалы наблюдений, речные воды Кубани в период паводка при маловетрии могут распространяться в море в среднем до 10 км (в исключительных случаях не более, чем на 20 км), и поэтому мы принимаем величину «а», равной 0,00019.

Строго говоря величина щ, должна характеризоваться как приведенная масса движущейся системы, состоящая из нескольких масс. Поскольку рассматривается простейшее прямолинейное движение системы, то резонно оценивать её в первом приближении как элементарную сумму:

тх = ш'о + Ц + то (3)

Сумма первого и второго слагаемых членов в указанном выражении представляет собой гах. Поясним физический смысл этой величины. Наряду с линейным приращением основой массы (то) при движении потока происходит увеличение фактической массы за счет так

называемой «присоединенной массы» т.е. вследствие инерционного

вовлечения окружающих вод в общий поток. Следовательно,

В начальном участке струи, где ядро струи по существу занимает все сечение потока, приближенно принимаем

Поскольку пограничный слой в основном участке струи заполняет все поперечное сечение, естественно полагать, что водная масса в этой области почти целиком состоит из присоединенной массы, т.е. сказанное выше удовлетворяет условию: при Ш о —+ 0; Ш х—> Ц.

В этом случае переменную массу можно учитывать при

помощи графического построения модели с учетом конусообразного расширения струи.

Предложенная нами модель выклинивающегося потока допускает, что последний, поступая на взморье, движется в «жидких берегах» приёмного бассейна, среда которого из-за повышенной минерализации, как правило, плотнее среды потока. Поэтому правомерно отождествлять подобную дивергенцию воды с движением, стесненным (по конусу растекания) своеобразным диффузором, образующимся из окружающих морских вод. В таком случае давление по диффузору изменяется при условии постоянства секундного количества движения в области струи. Учет суммарного сопротивления и потерь энергии в стесненном потоке удобно проводить с помощью подробно разработанных теорий движения потока в диффузорах (Повх, 1969). В этом варианте сравнительно легко определять суммарную работу (А) при перемещении массы жидкости с преодолением сил трения

В нашем случае мы пренебрегаем работой внутренних сил, а из совокупности внешних сил будем учитывать только лишь силу сопротивления потоку, которая раскладывается на силу сопротивления в результате трения «стенок» диффузора об окружающую его морскую среду и силу сопротивления, возникшую из-за гидродинамического удара.

Применяя теорию плоского диффузора, сумма работ по преодолению сил сопротивления выразится следующей формулой:

где: х - расстояние до заданного створа;

п - величина, характеризующая отношение площади сечения потока в заданном створе к площади сечения потока в начальном створе (с некоторыми допущениями считаем, что П=Ьх/Ьо, где Ьх=21£(а2/2)х+Ьо- , а Ьх - ширина потока на удалении х от морского края дельты);

- коэффициент, корректирующий потери давления в диффузоре за

п

где

(4)

счет фактической его криволинейности;

X - коэффициент сопротивления трения единицы длины диффузора;

- коэффициент полноты удара;

- плотность воды в потоке.

Параметры Тд, фр, X, вычисляются по специальным методикам (Лойцянский, 1957). Исходные морфометрические данные удобнее всего рассматривать в определенных зависимостях.

Предлагаемый метод использовался автором для расчетов стоковых течений на устьевом взморье Кубани. Сравнение полученных величин с натуральными данными указывает на возможность применения этого метода (среднее отклонение от измеренных скоростей составляет примерно 20%). Сопоставление расчетных и наблюденных данных показывает, что затухание стоковых течений особенно интенсивно происходит на начальном (от 0 до 1 км) этапе трансформации струи. Характер затухания скоростей в стоковом течении близок к экспоненте. Определение скоростей движения жидкости вдоль оси входящего в море потока необходимо для расчета изменения солености воды по мере удаления речной струи в море.

V .

Соленость для условий

1

(т.е. для сравнительно

2

стратифицированных вод по отношению к подстилающим морским водам) рассчитывается по уравнению:

f Т 7 \

5. =

S.

x(s* -s;)

L

1 -

- 1

о /

(6)

SM -- соленость морской воды в восточном районе моря; S ч - соленость придонных компенсационных вод вблизи бара у свала глубин;

L - расстояние от бара до границы выклинивания стоковых течений.

Основу выражения (6) составляет модифицированная формула Кнудсена: S х = S „ — ((Qo SM)/Qx). при условии, что QXVX= QoVo;= const ( Qo -расход в устьевом створе; Qx - расход воды в потоке на расстоянии х от морского края дельты), приемлемом для взморья Кубани (Симонов, 1960). Площади опресненных зон определялись по формуле :

(7)

где: X - поправочный коэффициент;

- удаление (по потоку) изохалины от морского края дельты.

Величины объемов зон смешения находятся в прямой зависимости от площадных размеров, а взаимосвязь между ними описывается через эмпирическое соотношение:

U-«.=1.15 F*

(8)

где: и,«9®. - объем опресненной зоны (млн. м3), оконтуренной 9%о-ной изохалиной, - площадь 9%о-ной опресненной зоны, км2.

Для расчета солености (а следовательно и размеров зон) необходимо иметь скоростные характеристики потока. При расчете стоковых течений, солености и площадей опресненных зон в условиях сгона и нагона сумма работ внутренних и внешних сил будет значительно изменяться. Этому способствуют, во-первых изменение угла диффузора (0С2), т.е. угла растекания потока (рис. 3); во-вторых - изменения переменной массы щ, (как следствие изменений Ог).

Практический подход к определению скоростей течения в условиях сгона-нагона требует табуляции угла <*2 в зависимости от скорости и напрвления ветров («нормальных» к береговой черте). При решении задач в условиях нагона 02 находится в пределах от 60 до 150°. Наоборот, при сильных сгонах (рис.3), (Xj изменяется в диапазоне 300£а2<б0° (Шишкин, 1973).

В период проведения летних съемок 1968 г. на взморье Кубани при маловетрии у Петрушина рукава размеры опресненных зон в

половодье составляли 35-40 км2 (в среднем 37 км ). В случаях сильного нагона, по нашим коррективам, размеры этой площади (зоны F9) должны

уменьшаться, пропорционально соотношению К = —, или же в 6,47 раз:

Следовательно, величина площади Р9 по теоретическим расчетам должна составлять около 6 км2. Для сравнения укажем, что в реальных условиях того же временного диапазона съемок (20.06.1968 г.) на Кубани в период значительного нагона нами зафиксирована площадь зоны равная 10 км2, а при развитии на взморье Кубани значительных сгонных процессов, площади опресненных зон должны увеличиваться в 2,2 раза

2 £

составляя около 81 км

(37x2,2=81,4 км2), что почти на 6 км2 меньше, по сравнению с реальной площадью, наблюденной 24.06.1968 г.

Рис.3. Модели стоковых потоков у приглубого взморья в плане при: а)-штиле; б)-нагоне; в)-сгоне.

Для расчета размеров площадей опресненных зон в Таганрогском заливе (приемы которых трактуются ниже) использованы обработанные и систематизированные данные по солености за период 1959-2003 гг., находящиеся в фондах Азовского НИИ рыбного хозяйства. Осредненные показатели за этот период наблюдений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Среднемноголетние (1959-2003 гг.) площади опресненных зон в Таганрогском заливе (тыс. км2) по градациям солености

Математико-статистический анализ динамики размеров зон по годам позволил выявить ряд зависимостей их размеров от колебаний солености или объёма пресного стока, описываемых следующими уравнениями регрессии:

(9) (10)

(11) (12)

где: и Б т.з - среднегодовые значения опресненных зон, тыс. км2 и солености Таганрогского залива (0-5%о, 0-7%о, 0- 9%о);

Ом - среднегодовое значение величины материкового стока, км3/год.

Анализ многообразных приемов расчета солености Таганрогского залива выявил наиболее приемлемой формулу приближенного вида:

Хг~П/37.1

(13)

где Хг -расстояние (км), по мере удаления ¡-ОЙ изохалины от морского края дельты; - площадь, оконтуренная ¡-ОЙ изохалиной, 37,1- постоянная величина, равная отношению площади Таганрогского залива к его длине, т.е. - ширине Таганрогского залива.

Используя зависимости 9-12 и выражение 13, можно рассчитывать удаление (Х() 1-ОЙ %о от морского края дельты Дона. В частности, например, удаления от морского края дельты зон 5 %о ,7%о и 9%о -солености будут составлять:

1,46(^,-2,43 Хп„= 1,76 С>ч+ 10,29 Х9%.= 2,37 С>м+16,25

(14)

(15)

(16)

Практическое применение этих формул возможно при проведении экспертной экспресс-оценки дальности распространения зон смешения в реальном режиме времени.

В пятой главе «Роль опресненных зон в формировании эколого-рыбохозяйственного потенциала Азовского моря» рассмотрены аспекты изменения биологической продуктивности моря в зависимости от процессов фронтогенеза. Анализ многолетних материалов экспедиционных исследований и данных по гидрометеорологическому режиму водоема позволил выявить ряд причинно-следственных связей, аппроксимирующих развитие биотической части экосистемы моря. В частности показана связь между рыбохозяйственным потенциалом, формируемом в эстуарных районах, и биогидрологической значимостью этих локальных зон. Акцентируется внимание на то, что значительное количество азовских рыб на разных стадиях развития держится в пределах этих зон, а их численность и физиологическое состояние зависят от целого ряда абиотических условий, локально трансформирующихся в зонах смешения. Рассматриваются определенные градации зон смешения, их пространственно-временная изменчивость и, в частности, динамика размеров зон в связи с продукционной эффективностью экосистемы в целом. Так, например, для взрослых особей судака оптимальными для обитания являются смешанные воды с соленостью воды 11-11,5%о, а для его молоди - 7-8%о (Бронфман, 1973). Согласно нашим расчетам (Шишкин, 1983), размеры опресненных зон, оконтуренные изохалинами 7%о; 9%о и 11%о, взаимосвязаны с запасами молоди судака при соответствующих коэффициентах корреляции : 0,5; 0,6 и 0,5. Более тесная регрессионная связь характерна для ареалов взрослого судака, распространяющихся в водах с соленостью 0-12%о (коэффициент корреляции 0,76). Показано, что во временном длиннопериодном спектре функционирования экосистемы Азовского моря наибольшее влияние на динамику размеров зон, а следовательно, и на ареалы обитания рыб оказывают флуктуации солености, вызываемые изменениями материкового стока и интенсивностью водообмена с Черным морем. В историческом аспекте изменений промысловой ценности водоема (от периода, когда высокая продуктивность моря в конечных звеньях трофической цепи являлась ориентиром в масштабах мирового промыслового осетроводства до современного периода, когда имеет место снижение рыбохозяйственной значимости Азовского моря) выделены периоды и дан анализ благоприятствующих и вызывающих стагнацию факторов. На фоне всего комплекса климатических и антропогенных факторов, в той или иной степени воздействующих на формирование биотической компоненты экосистемы, выделяется в качестве основного -зарегулированность стока рек Дон и Кубань.

В естественных условиях режима Азовского моря при солености 10,6-11%о (при стоке 41-42 км) уловы ценных видов рыб, как уже помянуто, составляли около 3 млн.ц, а рыбопромысловая продуктивность достигала 80 ц рыбы с га (Воловик; 2002); к началу семидесятых годов, с ростом солености до 12%о (материковом стоке 34-36 км3) уловы сократились в 1,5-2 раза, а суммарная величина площадей опресненных

зон (0-9%о) снизилась до 3 тыс.км2 на Дону и до 40-50 км2 на кубанском устьевом взморье. Ограничение поступления речного стока в море не только вызвало деградацию опресненных зон, но и способствовало изменению в соотношениях различных форм азота и к необратимому частичному изъятию из оборота фосфатов (Рогожкин, Гусева, Шестопалова, 1973). Это не замедлило сказаться на снижении биологической продуктивности моря.

В Азовском море, как и в любой природной системе, весьма затруднительно оценивать «сложные биологические взаимоотношения и гидромеханику эстуариев» (Одум, 1968). Особенно сложно количественно оценить изменения биопродуктивности под воздействием климатических факторов и зарегулированности русел рек Дон и Кубань. В этом случае в качестве критерия «биологических взаимоотношений» нами принята рыбопродуктивность, выражаемая через суммарные уловы всех промысловых рыб за 1923-1984 гг. Анализ общих уловов по годам позволяет выделять высокоурожайные периоды, характерные для естественных условий, средние и низкие по урожайности периоды соответственно изменяющейся водности рек. Особенно высокие уловы (свыше 2 млн. ц/год) отмечались в Азовском море в 1935-1936 г. Обработка информации с помощью дисперсионного анализа применительно к рыбопродуктивности выявила «водный фактор» как основополагающий. Сопоставление осредненных по 8-леткам ретроспективных данных по материковому стоку и уловам, позволило вывести ряд уравнений, характеризующих зависимость уловов от объемов поступавших в прошлом пресных вод. Уравнения имеют вид:

где: У - общие уловы рыб, характерные для периодов осреднения, тыс. ц; 0 и <},.] — объемы материкового стока в текущий период и со сдвигом на один шаг назад, км3; Р - обеспеченность материкового стока, %.

Эти выражения характеризуются коэффициентами корреляции, соответственно равными 0,84; 0,64 и-0,63.

Рассчитанные по формулам 16-18 данные показывают, что в фазы маловодья (0=24-26 км3; Р=90-95%) уловы рыб сокращались до 1400-1723 тыс. ц, а в многоводные годы (Р=5%) превышали 3 млн. ц. В годы со средней водностью (0=40 км3; Р=50%) расчетные значения уловов рыб составляли 2465-2510 тыс. ц, что примерно соответствовало реальным значениям. В современный период, в связи с падением рыбопродуктивности моря, полученные зависимости несколько нарушены.

У = -662,3 +79,30й

У-551,7 + 47.60 У = 3289-16,5Р

(16)

(17)

(18)

В последние годы, начиная с 1993 г., судя по динамике уловов полупроходных видов рыб, появились предпосылки к восстановлению промыслового стада судака в зоне Российской Федерации. За последние 10 лет уловы этого вида рыб в Российской зоне Азовского моря находятся в удовлетворительной статистической связи ^=0.76) с размерами опресненных зон 0-11%о. Регрессионная модель имеет вид:

У=0,0ОТ+0,122 (19)

где: У - уловы судака в тыс.ц;

F - площадь опресненной зоны, оконтуренной изохалиной 11%о,

2

тыс.км .

Контрольный расчет по независимому ряду (с лагом на год вперед) показал возможность применения этого уравнения для промыслового прогнозирования уловов судака.

Таким образом, несмотря на все увеличивающееся число причинно-следственных факторов, в той или иной мере разрушительно влияющих на формирование эколого-рыбохозяйственного потенциала Азовского моря, одной из ведущих созидательных функций продолжают оставаться размеры опресненных зон, формирования которых в оптимально обозначенных для рыбного хозяйства границах имеет огромное значение на всех уровнях экосистемы.

В Заключении приводятся обобщенные кратко сформулированные результаты работы и делаются соответствующие выводы:

1. Произведенная оценка роли климатических и антропогенных факторов в формировании биотической и абиотической структуры зон смешения речных и морских вод, как составляющей экосистемы Азовского моря, показала, что в целом для Азовского моря как небольшого внутреннего водоема Мирового океана характерна значительная изменчивость режимоформирующих характеристик, особенно активно проявляющихся в контактных зонах взаимодействия речных и морских вод. «Очаги» опреснения (на устьевых взморьях рек Дон и Кубань) динамичны и зависят от колебаний материкового стока, формирующейся в море солености и проявления в устьевых областях сгонно-нагонных ситуаций. Опресненные зоны отличаются высокой вариабельностью. Максимально наблюденное сокращение зон смешения отмечено при значительном повышении солености Азовского моря (до 13,8%о) в 1976 г.

2. Выявлена пространственно-временная структура опресненных зон (на примере Таганрогского залива и устьевого взморья р. Кубань), в соответствии с которой дифференцированы зоны трансформации. Разработана модель расчета стоковых течений и солености на устьевых взморьях, произведена ее верификация. При этом учтены специфические особенности гидродинамики русловых процессов (при наличии бара) на

устьевых взморьях рек Дона и Кубани. Полученные уравнения аппроксимируют динамику рассчитанных размеров опресненных зон во взаимосвязи с водностью питающих их рукавов и соленостью в открытом море.

3. Определена степень влияния зон смешения морских и речных вод на формирование биологической продуктивности Азовского моря. Показано, что размеры зон смешения речных и морских вод являются важнейшим звеном в экосистеме Азовского моря. В частности, локализуясь на взморьях Дона и Кубани, они служат базисом созидания биопродукционного потенциала как в рассматриваемых районах, так и в целом для моря.

4. В связи с эпизодически возникающими тенденциями значительного осолонения Азовского моря, выявлена чрезвычайно возросшая роль Таганрогского залива, как буферного водоема, Как показывают материалы, в период осолонения моря (1972-1976 гг.) практически только на его акватории сохранялись опресненные зоны до 9-11 %о, составляя 2-4 тыс.км , в то время как в естественных условиях эти зоны опреснения занимали почти всю акваторию Азовского моря.

5. Получены корреляционные зависимости, подтверждающие обусловленность формирования рыбопродуктивности (уловов рыб) от размеров и качественного состояния зон смешения. Совокупный анализ динамики зон смешения и колебаний численности судака во временном аспекте позволил установить, что размеры опресненных зон, оконтуренные изохалинами 7-9%о, удовлетворительно коррелериуют с запасами молоди судака. Более тесная корреляционная связь установлена между ареалами судака промыслового размера и зонами смешения с соленостью от 0 до 11% (Я=0,76).

6. Рассмотрены возможные пути оптимизации параметров экосистемы Азовского моря в соответствии с требованиями рыбного хозяйства. Подчеркивается, что одним из способов поддержания живых систем является соблюдение принципа сохранения видового разнообразия в среде. Для устранения возникшего в экосистеме Азовского моря экологического дисбаланса необходима смена подходов в управлении водными и биологическими ресурсами с учетом их рационального использования, введения ресурсосберегающих технологий, снижения загрязнения водной среды, ужесточению системы мер по контролю за промыслом, проведения инвентаризации искусственных плотин и прочих гидротехнических сооружений в бассейнах рек Дон и Кубань с целью подтверждения целесообразности их функционального назначения. Упорядочение в системе водного хозяйства в бассейнах рек, возможно, могло бы способствовать некоторому снижению антропогенного пресса и высвобождению из объема безвозвратного водопотребления части пресного стока. Как, следствие, это будет способствовать потенциальному росту площадей опресненных зон.

Практические рекомендации

1. Рыбохозяйственным организациям рекомендуется учитывать экспертные расчеты стоковых течений, солености, размеров зон смешения с целью оценки экологической ситуации в районах высокой рыбохозяйственной значимости (эстуарные зоны).

2. Организациям и ведомствам, занимающимся вопросами перспектив развития рыболовства, акклиматизации и др. рыбохозяйственными проблемами, использовать данные по адаптации молоди к условиям обитания на пути ее ската в море.

2. Специалистам отраслей, занимающихся вопросами гидрологии и гидрохимии, экологии и рыбного хозяйства, гидродинамики моря, океанологии и охраны природных ресурсов, студентам и учащимся использовать материалы научно-справочного пособия

«Гидрометеорологический режим Азовского моря» (T.V), В качестве учебно-методического пособия.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Шишкин В.М. Изменение площади опресненных зон на взморье р.Кубани в условиях сокращения стока реки и увеличения солености Азовского моря. // В кн.: Географические проблемы изучения и освоения природных ресурсов Нижнего Дона и Северного Кавказа. -Ростов-на-Дону, 1971. - С.206-207. (соавторы Бронфман A.M.)

2. Шишкин В.М. Опресненные зоны устьевого взморья Кубани в условиях изменяющегося стока реки. - Ростов-на-Дону: Изв. Сев-Кав. научн. центра высш. школы, естеств. науки №1, 1973. - С.76-81.

3. Шишкин В.М. Изменения солености в прибрежных водах Азовского моря под влиянием речного стока. // В кн.: вопросы изучения и освоения Азовского моря и его побережий. - Краснодар, 1974. - С.41-42.

4. Шишкин В.М. Закономерности формирования зон смешения речных и морских вод в Азовском море. // Тез.докл.обл.науч.конф. по итогам работы АзНИИРХ-а за 25 лет. (Ростов-на-Дону, 30 сентября, 1983. -Ростов-на-Дону, 1983. -С.116-117.

5. Шишкин В.М. Пространственно-временная структура солености и температуры воды Азовского моря, // Тез. докл. обл. науч. конф. по итогам работы АзНИИРХ в XI пятилетке (Ростов-на-Дону, 4-6 февраля, 1986). - Ростов-на-Дону, 1986. - С.14-16 (Куропаткин А.П., Гаргопа Ю.М.).

6. Шишкин В.М. Закономерности формирования зон смешения речных и морских вод в Азовском море в связи с его рыбопродуктивностью. // Сб. Рациональное использование и охрана природных ресурсов бассейнов Черного и Азовского морей, Ростов-на-Дону, Изд-во Рост. ун-та, 1988. — С.26-29.

7. Шишкин В.М. Влияние материкового стока на изменчивость рыбопродуктивности Азовского моря. // Сб. Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азовского бассейна. - Ростов-на-Дону: Полиграф, 1996.-С. 125-126.

8. Шишкин В.М. Некоторые особенности температурного режима Азовского моря и их рыбопромысловая значимость. // Сб. Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азовского бассейна.-Ростов-на-Дону: Полиграф, 1996.-С. 126-128.

9. Шишкин В.М. Особенности гидрологического режима Азовского моря и северо-восточной части Черного в 1991-1995 гг., возможные его изменения. // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна: Сб. научн. тр. АзНИИРХ. - Ростов-на-Дону, 1997. - С. 143 (соавторы Гаргопа Ю.М., Куропаткин А.П., Жукова С.В.).

10.Шишкин В.М. Гидрологические условия обитания рыб Азовского моря в 1961-1999 гг. и 2000-2001 гг. // Сб. Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна. - М.: Вопросы рыболовства, 2002. С. 17-26 (соавторы Куропаткин А.П., Жукова С.В., Фоменко И.Ф., Луганская Л.А., Стрельченко О.В.).

11.Шишкин В.М. Экологическое влияние стока рек Дона и Кубани на воспроизводство полупроходных рыб. // Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 3. - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - С 325 (соавторы Луганская Л.А., Фоменко И.Ф., Свищева Л.А.).

Подписано в печать ^. СН Формат 60x84 '/и. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Обьем^С ф.пл.ТиражУСС экз.Заказ№^$ Ротапринт: 344082. г. Ростов-наДону, ул. Б. Садовая, 33

IS 2 6 4 9 7.