Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Формирование гидрофизических полей в Ладожском озере

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Формирование гидрофизических полей в Ладожском озере"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ЛЕНИНГРАДСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

На правах рукописи

УДК 556.5

ТЕРШЕВНК АРКАДИЙ ЮРЬЕВИЧ

ЙОИЗРОВАШ ГВДРОЗИИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЛАДОПСКО'Л ОЗЕРЕ

Специальность 11.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ЛЕНИНГРАДСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

На правах рукописи

УДК 556.5

ТЕРЙЕВИК АРКАДИЙ ЮРЬЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЛАДОПСКОМ ОЗЕРЕ

Специальность ll.00.il - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена о Институте озероведения АН СССР.

Научный руководитель - доктор географических наук

В.А. ЗНАМЕНСКИЙ

Официальные оппоненты - доктор биологических наук

В.В. Меншуткин доктор физико-математических наук

Р. Тамсалу

Ведущее учреждение - Ленинградское отделение Государственного океанографического института.

Защита диссертации состоится ^¿ьрт^ 1881 г. в часов на заседании специализированного совета Д.003.63.01 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в Ленинградском научном центре АН СССР (199034 г.Ленинград, Университетская наб., 5).

С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке АН СССР (196199 г.Ленинград, Биржевая линия, д.1).

Автореферат разослан "¿О фс^/ХЛ^Ш г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 199034, г.Ленинград, Университетская наб., д.5.

^Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

А.М. Малинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях возросшей за последние десятилетия человеческой деятельности на водосборе больших озер Северо-Запада СССР, в том числе и Ладожского, проблема охраны и рационального использования водных ресурсов в этом регионе стоит в ряду наиболее злободневных и требующих безотлагательного решения. Одним из основных направлений научных исследований, необходимых для успешного решения комплекса водохозяйственных мероприятий, является изучение причин качественных изменений природных вод.

Исследования изменений элементов э;осистемы Ладожского озера в условиях антропогенного воздействия (Антропогенное эвтрофирование,.., 1982) показали, что основными факторами, определяющими уровень биопродуктивности в озере, являются концентрация биогенных элементов, температура и прозрачность воды. Возникает необходимость изучения не только зависимости биопродукгивности водоема от его гидрофизической структуры, но и основных последствий этой взаимосвязи.

Для оценки условий проявления и последствий влияния гидрофизических процессов на биопродуктивность озера необходимо определить основные закономерности формирования гидрофизической структуры озера в различные сезоны. Озеро с большой неоднородностью рельефа дна, каким является Ладожское, по-разному реагирует на ветровое воздействие, прогрев и охлаждение в различных районах своей акватории, что порождает сложную картину неоднородностей поля температуры. В свою очередь прозрачность воды зависит от наличия и концентрации в ней взвешенных веществ, поступающих в основном с водами притоков, и автохтонного планктона. Распространение вод притоков и водных масс прибрежной- зоны по акватории озера определяется крупномасштабными динамическими процессами, обладающими своей спецификой в каждом сезоне.

Исходя из этого, целью настоящей работы являлось исследование гидрофизических полей в Ладожском озере, включающее

- 3 -

решение следующих задач:

-- районирование озера по характеру формирования гидрофизических полей;

- изучение годового цикла гидрофизических полей в отдельных районах озера;

- изучение вснввных пространственных и временных (в годовом цикле) о&вбенностей крупномасштабного переноса в озере;

- установление основных закономерностей распределения температуры и пр®зрачности воды Ладожского озера в различные сез®ны;

- районирование озера по признаку потенциального уровня биопродуктивности, зависящего от распределения полей температуры и прозрачности.

Достоверность результатов. Результаты исследований обоснованы материалами пространственных съемок Ладожского озера, выполненных Ладожской экспедицией Института озероведения АН СССР в 1980-85 гг. при участии автора (разработка методики наблюдений, сбор и первичная обработка информации). Съемки выполнялись одним или двумя судами. За полевые сезоны 198085 гг. было выполнено более 1200 станций, на которых производились следующие наблюдения: вертикальное зондирование от поверхности до дна температуры и удельной электропроводности воды, измерения прозрачности воды, температуры воздуха, скорости и направления ветра, облачности, волнения, атмосферного давления, отбор проб для определения концентрации общего фосфора, хлорофилла "а", растворенного кислорода. Зондирование проводилось.с помощью гидрофизического зонда, разработанного в Институте озероведения АН СССР. Абсолютная прозрачность воды измерялась диском Секки, температура воздуха - психрометром Ассмана, скорость ветра - анеморумбографом М-бЗм, анеморумбометром М-47, ручным анемометром; давление воздуха определялось по барометру-анероиду, облачность и волнение - визуально в баллах. Точность измерения температуры воды ±0.1°С, удельной электропроводности ¿0.5 мкСм-см-*, абсолютной.прозрачности ±0.2 м.

- 4 -

Автором выполнена обработка полученных материалов, включая создание программ обработки и счет по ним; осуществлена интерпретация результатов.

Научная новизна. На основании анализа результатов наблюдений и численных расчетов выявл'-"ы основные закономерности формирования полей температуры и прозрачности воды, ветровых и плотностных т- 'ений в Ладожском озере. Проведен масштабный, анализ для оценки роли гидротермодинамических процессов по районам и сезонам. Выпольсно районирование озера по морфометрическому принципу, позволившее рассмотреть специфические особенности гидрофизических полей в каждом районе. Показано, что морфометрическое районирование отражает неоднородность развития гидрофизических процессов в озере. Предложена модель ранневесенней циркуляции в большом глубоком озере, на основе которой получены оценки характерных масштабов процесса в Ладожском озере и сформулирована гипотеза о мезйнизме выноса водорослей из придонных слоев на поверхность перСД началом развития. Сформулирована теоретическая модель термического бара, открывающая перспективу изучения этого явления как с позиций лабораторного, так и численного моделирования. Предложен метод объективной классификации, на основе которого выполнено районирование Ладожского озера по уровню биопродуктивности в различные сезоны.

На защиту выносятся: принципы формирования гидрофизических полей Ладожского озера, сформулированные на основе результатов наблюл чий и численных расчетов.

Практическая ценность. Результаты анализе данных о температуре и прозрачности воды,.как факторов, лимитирующих уровень биопродуктивности Ладожского озера, дают возможность более детально рассмотреть развитие процесса чктропог^дного звтрофирования, охватывающего практически всю ч^гаторкл озера. Обобщенная картина крупномасштабного пер»- ••*• с учетом сезонных особенностей позволяет получить представление о перераспределении взвешенных веществ в озере. Предложенная

- 5 -

схема выявления зон потенциально высокой продуктивности позволяет рассмотреть процесс формирования автохтонного органического вещества, оценить неоднородность его распределения по акватории озера.

Аппробауия_работьи Основные результаты диссертации докладывались на У Всесоюзном совещании лимнологов "Круговорот вещества и энергии в водоемах" (Лиственичное на Байкале, 1981), на XI сессии Научного Совета "Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера" (Петрозаводск, 1981), на Всесоюзном совещании "Природные ресурсы больших озер" (Ленинград, 1982), на Международном симпозиуме СЭВ "Антропогенное эвтрофирование природных вод" (Москва, 1983).

Публикации^ По материалам диссертации опубликовано 15 работ.

СхВУкТУ&й-У^^б'ъем^иссертации^ Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 94 страницы машинописного текста, 24 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 88 наименований, в том числе 25 зарубежных.

СОДЕРЙАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, описана исходная информация.

включает предварительные сведения о гидрофизической структуре Ладожского озера, обзор исследований температурного режима (первгл, наиболее полная сводка принадлежит А.И. Тихомирову - 1968), обзор исследований течений.

Предложенное автором морфометрическое районирование озера, основанное на разделении акватории по характеру изменчивости глубин, позволило провести анализ путем рассмотрения особенностей каждого района в отдельности. С этой целью дана сравнительная характеристика роли различных гидротермодинамических процессов по сезонам. Для этого были использованы характерные масштабы рассматриваемых процессов с учетом их изменчивости по районам. Масштабный анализ показал, что до- 6 -

минирующими членами в уравнениях движения (при временных масштабах не менее синоптического) являются горизонтальный градиент давления, сила Кориолиса и член вертикальной турбулентности. В уравнении переноса тепла вклад адвективных членов сопоставим с остальными.

Морфометрическсе районирование Ладожского озера послужило основой для боксовой модели, с помощью которой рассмотрено влияние морфометрии озера на формирование поля температуры. Рассчитаны среднемесячные температуры каждого из боксов, показано их соотношение с величиной среднеозерной температуры в рассматриваемый период. Выявлены основные тенденции годового хода этих соотношений и их связь с морфометрией озера.

На основе литературных данных и собственных измерений выяснена картина развития поля температуры по сезонам. Весной ход гидрофизических процессов во многом обусловлен динамикой фронта термического бара, интенсивностью прогрева и характером предшествующей зимы. Летом и осенью развитие поля температуры целиком зависит от интенсивности прогрева (охлаждения) и ветрового перемешивания. Зимой в результате сильного охлаждения и интенсивного перемешивания верхний слой (по толщине не превышающий слоя Экмана) характеризуется температурой не выше 0.5°С, ниже располагаются воды с более аысо-кими температурами, а на больших глубинах (свыше 100 метров) температура достигает 4°С. Однако к концу зимы глубинные воды оказываются охлажденными до 2-3°С. Предлагается гипотеза о механизме охлаждения, основанная на геострофических эффектах и возможной гидродинамической неустойчивости на границе купола.вод с максимальной плотностью.

Глава 2 посвящена исследованию сезонных особенностей полей температуры и прозрачности воды и их влияния на биопродуктивность озера с помощью статистического анализа экспериментальных данных, полученных в ходе экспресс-съемок Ладожского озера.

Изложен метод выявления однотипных областей, разработанный автором для решения задач объективной классификации, По- 7 -

казаны основные сезонные соотношения между среднеозерными значениями температуры воды и ее абсолютной прозрачности и их значениями в различных районах озера. Выяснены особенности гидрофизических процессов в озере, определяющих эти соотношения. На основе метода выявления однотипных областей проведено выделение зон потенциально высокой продуктивности в■ Ладожском озере. Выделение проводилось по принципу благоприятного сочетания факторов, лимитирующих развитие фитопланктона: температуры и прозрачности в®ды (т-ретий фактор, традиционно считавшийся лимитирующим, - концентрация биогенных элементов, - уже не оказывает существенного влияния на ход продукционных процессвв в связи с высоким фоном концентрации общего фосфора по всему ©зеру - см. Гусаков и др., 1987). В озере выделяются три б@льшие зоны, различные по сочетанию рассматриваемых факторов. Две из них весний и одна летом являются потенциально продуктивными. Сравнение с данными о концентрации хлорофилла "а" в рассматриваемые сезоны подтвердило правомерность предложенного подхода оценки биопродуктивности различных районов озера.

Глава 3 посвящена исследованию полей течений Ладожского озера на основе результатов численных расчетов.

Расчеты течений методом полных потоков были использованы для исследования ветровой циркуляции. Проведен ряд численных экспериментов по баротропной модели для оценки влияния размера шага сетки и граничных условий на решение. Возможность изучения течений в Ладожском озере на основе баротропной модели исследована путем сравнения результатов расчетов с инструментальными данными о течениях и измеренными полями удельной электропроводности воды. Рассмотрены поля течений, возникающие при различных ветрах в озере, выяснена их роль в переносе вод притоков по акватории.

Оценка крупномасштабного геострофического переноси проводилась на основе модифицированного динамическ«*-» ме ода, используемого для пресноводных водоемов {Ауегя, 1956) _ применением усовершенствованной формулы расчета плотности %оды

- 8 -

(Chen and Millero, 1977). В основу расчетов были положены поля температуры воды, полученные в ходе экспресс-съемок Ладожского озера в 1980-85 годы. Весной геострофический перенос наиболее интенсивен в области стратифицированных вод, которая ограничивается фронтом термического бара. Циклональ-ная направленность переноса определяет вынос разбавленных вод притоков южного побережья вдоль восточного берега на север. В области холодных вод плотностные течения развиты только в непосредственной близости к фронту и носят антицик-лональный характер. Летом геострофическая циркуляция является доминирующей, что отмечалось еще в работах А.Н. Охлопковой (1966). Максимальные скорости приурочены к зоне глубин 20-40 метров и границам циркуляционных образований. В случае продолжительного шторма доминирующими становятся ветровые течения. Осенью, в процессе сглаживания горизонтальных градиентов температуры воды, плотностная циркуляция ослабевает.

Рассмотрена модель циркуляции, возникающей в озере в период начала весеннего прогрева за счет аномалии плотности пресной воды. Неоднородность рельефа дна приводит к образованию более теплых (плотных) вод на меньших глубинах и их отеканию по склонам, с одновременным развитием компенсационных восходящих движений над максимальными глубинами. Проведен масштабный анализ уравнений движения, неразрывности и переноса тепла. На основе внешних параметров параметров (кинематического. потока тепла глубины D, угла наклона дна а) получены оценки характерных масштабов вариаций температуры Т^, периода циркуляции горизонтальной (V^) и вертикальной (W^) скоростей:

Т^ = (Qs/tga)1/2(agl))-i/4; t# = ^(Qglgocr^agD)"1/4;

V^ = (Qg/tgoO^agD)1/4; W# = (QgtgcO^agD)1/4, с p

где a = 1.65*10 ° K~c - коэффициент в квадратичном уравнении состояния пресной воды; g - гравитационное ускорение.

- 9 -

Расчеты для Ладожского озера показали, что горизонтальная скорость в подобных циркуляциях имеет порядок 10°-10* см-с-*, а вертикальная - 10~^-10~2 см-с~*. Характерное время существования циркуляции - недели. На основе этой модели рассмотрена возможность выноса спор аулакозиры (доминирующего компонента в весенней продукции фитопланктона) из придонных слоев на поверхность к началу массового развития водорослей.

Так как крупномасштабная циркуляция в Ладожском озере определяет перераспределение вод притоков, а следовательно, и веществ, поступающих с ними, рассмотрено ее формирование в зависимости от сезона, показаны специфические особенности сезонной динамики вод.

Глава_4 посвящена изучению своеобразного, присущего только глубоким пресноводным озерам, явления - термического бара. Проведен анализ предшествующих исследований. Для простейшего теоретического описания явления рассмотрен клинообразный бассейн, прогрев воды в котором постоянен во времени и однороден по горизонтали. С момента возникновения фронта термического бара в бассейне выделяются три зоны: устойчиво стратифицированная теплая мелководная ("И"); холодная глубоководная, охваченная трехмерной конвекцией ("С"); разделяющая их зона бара ("В"), средняя температура которой соответствует максимальной плотности. Рассматривается тепловой режим стратифицированной и конвективной зон. Получены выражения для средних температур этих зон Ту и Т^:

Ти - Тт = 2М0д1/ц1 -Мг(Тт-Т0),

тс = т0 + 2(у./а + М1)ц,

а также для горизонтального динамического потока тепла ^ из теплой зоны в зону бара:

= С1(бац1)1/2(ТМ - Тш)2,

где Т0 - начальная температура воды; Тш - температура, соответствующая максимальной плотности вода; М - безразмерный

- 10 -

параметр, значение которого близко .к е'^нице; (i - тангенс угла наклона дна; L - длина бассейна; f - длина стратифицированной зоны (расстояние от берега до фронта); Cj. - константа, требующая определения; t - время.

Задача о движении фронта термического бара сводится к ре-пени» обыкновенного дифференциального уравнения. Анализ его асимптотических решений показал, что с ростом безразмерного

времени г = t/t^ = gat^(Tn - Tq)^/Qs, безразмерная скорость смещения бара dx/dx = [CtMx1/2(2i/x-M)2 - (М-1)/М]/(М-тД) монотонно возрастает от (2М - 1)/М до 2/М, безразмерная температура теплой зоны в (Т^ - Tm)/(Tffl - Tq) монотонно убывает от Н^/(2М - 1) до нуля, а безразмерный поток тепла Ф = (iF^/Qg (т.е. отношение суммарного динамического потока ^ilFj через границу зон "И" и "В" к суммарному потоку 1QS, поступающему через свободную поверхность зоны "U") монотонно возрастает от нуля до единицы. Приведены оценки константы С|_, полученные путем интерпретации имеющихся литературных и собственных данных.

ОСКОВНШ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Результаты исследований гидрофизических полей в Ладожском озере показали, что они играют существенную роль в развитии экосистемы озера, определяют ход процесса антропогенного эвтрофирования. Установлено, что гидрофизические поля оказывают существенное влияние на формирование уровня биопродуктивности и его пространственно-временную неоднородность.

2. Показано, как формируются в Ладожском озере гидрофизические поля: температуры - под влиянием суммарного потока тепла в воду, горизонтальной и вертикальной адвекции тепла и вертикального перемешивания; течений - под влиянием горизонтальных градиентов давления, напряжения ветра, вертикального трения и силы Кориолиса; прозрачности воды - под влиянием взвешенных веществ, поступающих в озеро с водами

- II -

|притоков и перераспределяемых по акватории озера за счет ¡крупномасштабного переноса, а также за счет отмирающих водорослей (детрита) в зонах максимального развития фитоплан-!ктона.

3. Установлены сезонные особенности полей температуры, прозрачности воды и течений Ладоаского озера в годовом цикле. Предложена гипотеза о механизме выхолакивания озера зимой до температуры ниже 4°С на глубинах, превышающих толщину экмановского слоя.

4. На основе численных экспериментов по баротропной модели показана возможность ее использования для имитации ветровой циркуляции в озере. Рассчитанные с помощью этой модели схемы ветровых течений, а также схемы плотностных (геострофических) течений, полученные на основе динамичеС-лого метода, позволили определить основные трассы переноса вод притоков по акватории.озера. Показано, что воды рек Волхова и Сяси, основных поставщиков биогенных элементов в озеро, распространяются по значительной части акватории, что обеспечивает высокий уровень концентрации биогенных элементов в воде озера. Установлена возможность транзита этих вод в район истока р.Невы.

5. Предложена модель ранневесенней циркуляции, обусловленной отеканием теплых вод по склону дна. Оценены характерные масштабы этого процесса в Ладожском озере. Вертикальная скорость в упорядоченных циркуляционных ячейках, согласно полученным оценкам, намного превышает общепринятые значения. На основе этой модели предложен возможный механизм выноса спор аулакозиры, определяющей весеннюю продукцию фитопланктона в Ладожском озере, из придонных слоев на поверхность перед началом весенней вегетации.

6. Предложена простейшая теория термического бара -фронтальной зоны, существующей в озере в период прогрева и оказывающей большое влияние на перераспределение вещества в озере. Модель открывает новые возможности в лабораторном и численном моделировании явления.

- 12 -

7. Использование предложенного в работе метода выявления однотипных областей позволило определить границы зон потенциально высокой биопродуктивности в Ладожском озере в разные сезоны, что открывает возможность анализа процесса формирования автохтонного органического вещества и неоднородности его пространственного распределения по акватории озера.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Крючков A.M., Петрова H.A., Тержевик А.Ю. О распределении волховских вод в южной части Ладожского озера и возможных экологических последствиях //Биологические ресурсы Белого моря и внутр. водоемов Европ. Севера.-Петрозаводск, 1981. -С.17-18.

2. Тержевик А.Ю. К вопросу о численном моделировании вертикальной структуры гидрофизических полей Ладожского озера //Термодинамические процессы в больших озерах.-Л., 1981.-

С.153-156.

3. Тержевик А.Ю. О возможном механизме взаимодействия системы атмосфера-озеро в период существования термобара //Круговорот вещества и энергии в водоемах.-Иркутск, 1981.-Вып ЛY.-С.76-77.

4. Крючков A.M., ТеРжевик А.Ю. Оценка влияния волховской водной массы на характер вод в истоке р.Невы //Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера.-Л., 1982.-С.210-213.

5. Крючков A.M., Тержевик А.Ю. Термический режим и формирование водных масс озера //Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера.-Л., 1982.-С.54-56.

6. Тержевик А.Ю. Возможности исследования динамики вод большого глубокого озера на баротропных моделях //Изв. Все-союз. геогр. об-ва.-1982.-Т.114, if 6.-С.547-553.

7. Тержевик А.Ю., Крючков A.M. Динамические процессы в озере и трансформация водных масс //Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера.-Л., 1982.-С.ё9-78.

8. Тержевик А;.Ю. , Крючков A.M., Гусаков Б.Л., Айтонов С.Е. Роль'водных масс в процессе звтрофирования Ладожского озера

//Антропогенное эвтрофирование природных вод.-Черноголовка, 1983.-С.168-170.

9. Крючков A.M., Тержевик А.Ю., Гусаков Б.Л. Исследование процесса формирования водных масс Ладожского озера //Пробл. исслед. крупн. озер СССР.-Л., 1985.-С.94-97.

10. Тержевик А.Ю. Метод выявления связных областей в исследованиях природных объектов //Докл. АН СССР.-1985.-Т.282, К'1.-0.48-50.

11. Тержевик А.Ю,, Крючков A.M., Гусаков Б.Л. Формирование водных масс Ладожского озера //Водные ресурсы.-1986,-К 1,-

С.30-34.

12. Гусаков Б.Л., Мурашева Е.Б., Расплетина Г.Ф., Тержевик A.D. Распределение общего фосфора и общего азота по акватории озера /'/Современное состояние экосистемы Ладожского озера.-Л.,1987.-С.68-75.

13. Зилитинкевич С.С., Тержевик А.Ю. Термический бар //Океанология.-1987.-Т.XXYII, № 5.-С.732-738.

14. Петрова H.A., Тержевик А.Ю. Влияние крупномасштабной динамики вод на развитие водорослей рода Aulacosira в планктоне больших глубоких озер //Морской и пресноводный планктон. -Л., 1987.-С.117-125.

15. Тержевик A.C., Крючков A.M., Гусаков Б.Л. Основные особенности формирования гидрофизических полей Ладожского озера //Современное состояние экосистемы Ладожского озера. -Л., 1987.-С.42-62.

РТПГО СССР. Зак. 14-80. 18.02.91