Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования"

л

- /

Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

На правах рукописи

МИСКЕВИЧ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ГИДРОХИМИЯ ПРИЛИВНЫХ УСТЬЕВ РЕК: МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

(25.00.28 - океанология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете и Северном филиале ФГУП "Полярный НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича".

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор В.Н. Малинин; доктор географических наук Г.К. Зубакин;

доктор географических наук М.П. Максимова.

Ведущая организация: Государственный океанографический институт.

Защита состоится 2005 года на заседании

диссертационного совета Д 212.197.02 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, дом 98.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В устьевых областях рек приливных морей изменчивость многих гидрохимических показателей может в несколько раз превышать их колебания в чисто речных или чисто морских водах. Подобная ситуация в основном связана с воздействием приливных явлений на фронтальные разделы между водами различного генезиса, в частности, между пресными и солеными водами. С другой стороны, устья рек обычно служат местами концентрации населения, промышленных, гидротехнических и сельскохозяйственных объектов, а также зонами интенсивного использования водных, биологических и рекреационных ресурсов. Все это обуславливает значительную сложность процессов формирования качества устьевых вод, что, в свою очередь, вызывает большие затруднения при оценке их состояния для решения задач оптимизации хозяйственного использования и сохранения экологической безопасности.

К сожалению, следует констатировать отсутствие научно обоснованной методической базы, позволяющей получать эффективные результаты при проведении различного рода теоретических и прикладных расчетов режимных, прогнозных и других гидрохимических характеристик рассматриваемых водных объектов. Это во многом обусловлено дефицитом серьезных исследований воздействия приливных явлений на гидрохимические процессы. Следует также отметить отсутствие для решения ряда экологических и водохозяйственных задач каких-либо методических приемов, учитывающих специфику приливных явлений.

Интенсификация освоения в последние годы северных и дальневосточных морей Российской Федерации, где наблюдаются приливы, требует значительного увеличения объема информации об их природных условиях и реакции водных экосистем на техногенное воздействие. Особенно остро данный вопрос стоит для устьев рек Белого и Баренцева морей в связи с широкомасштабным развитием в Баренц-регионе хозяйственной деятельности по разведке, добыче, переработке углеводородного сырья, полиметаллических руд, алмазов, с повышением объемов производства в лесной и лесохимической промышленности и формированием новых транспортных коммуникаций. Все это влечет за собой значительное увеличение использования водных ресурсов приливных устьев рек и порождает различные негативные эффекты для их экосистем. Для решения проблемы охраны и рационального использования устьевых вод крайне необходима разработка комплекса методов расчета и прогнозирования гидрохимических характеристик, учитывающих специфику их природных условий.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются исследования особенностей гидрохимических процессов в приливных устьях рек (на примере Белого и Баренцева морей), а также разработка методов расчета и прогнозирования

параметров химического состава вод подобных водных объектов, в том числе ориентированных на решение водохозяйственных и экологических проблем.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить специфику формирования химического состава вод разнотипных приливных устьев рек, включая влияние антропогенных факторов;

• провести анализ существующих методов расчета и прогнозирования гидрохимических характеристик устьев рек приливного моря;

• провести модификацию существующих методов для численной оценки химического состава вод приливных устьев рек;

• разработать новые подходы для расчета и прогнозирования гидрохимических параметров с учетом специфики рассматриваемых водных объектов;

• предложить модели (расчетные схемы) для конкретных видов водопользования, хозяйственной и иной деятельности в приливных устьях рек и алгоритмы их практической реализации;

• дать рекомендации по организации гидрохимического мониторинга состояния вод устьев рек приливных морей.

Для их решения привлекались результаты полевых наблюдений, проведенных автором в устьях больших, средних и малых рек Белого и Баренцева морей в период его работы в Северном УГМС, ИВП РАН и Северном отделении ПИНРО в 19812002 годах, информация, полученная при экспериментировании с различными расчетными методами и математическими моделями, а также анализ публикаций по рассматриваемой теме.

Объекты исследований. Объектами исследований для решения поставленных задач в географическом плане явились устья рек Белого и Баренцева морей, в том числе таких крупных водотоков, как Печора, Северная Двина, Мезень и Онега. На защиту выносятся следующие позиции:

• закономерности процессов формирования химического состава вод в устьях рек приливных морей-во взаимодействии с определяющими их факторами на примере Белого и Баренцева морей;

• методология определения режимных гидрохимических характеристик, учитывающая специфику устьев рек приливных морей;

• научно-методическое обоснование методов прогнозирования гидрохимических показателей, адаптированных для приливных устьев рек;

• методы решения конкретных прикладных задач для разнотипных устьевых областей рек приливного моря, связанных с необходимостью оценки химического состава устьевых вод;

• научно-методическое обоснование мониторинга качества поверхностных вод в устьях рек приливных морей и рекомендации конкретных схем его

проведения.

Научная новизна. Впервые выполнен анализ особенностей формирования химического состава вод устьев рек приливных морей на основе изучения влияния приливных эффектов. Показано наличие полипериодичности в изменчивости гидрохимических характеристик и ее связь с природными и техногенными факторами. Выявлено наличие доминирующих колебаний в различных масштабах изменений (приливных, синоптических, сезонных) исследуемых параметров. Определена специфика гидрохимических режимов устьев рек с различной величиной прилива. Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными изменениями уровня воды.

Предложены методы для расчета режимных и фоновых гидрохимических характеристик приливных эстуариев. Их принципиальная новизна состоит в применении робастных подходов и учете приливной изменчивости исследуемых показателей.

Исходя из специфики гидрохимических прогнозов в приливных устьях рек, предложена их новая классификация с учетом подходов, применяемых при составлении морских гидрологических и речных гидрохимических прогнозов. Показана возможность проведения прогнозных расчетов с использованием различных методов, которые в общем случае можно свести к одномерной регрессионной модели. Разработан новый вид одномерной регрессионной модели на основе интервальных медиан, позволяющей проводить расчеты при любом распределении регрессионных остатков. К новому направлению можно отнести предложение применять регрессионные модели, учитывающие связь гидрохимических параметров с приливными колебаниями уровня воды. Разработан новый подход к определению коэффициента дисперсии для одномерных моделей переноса примеси в приливном водотоке.

Впервые предложены эмпирический метод разработки нормативов ПДС и мониторинговый метод оценки техногенного влияния гидротехнических сооружений, учитывающие особенности гидрохимических процессов в приливных устьях рек. Даны новые рекомендации по проведению проектных изысканий в подобных водных объектах. Предложены новые научно-методические принципы организации мониторинга качества устьевых вод, принимающие во внимание наличие приливных явлений

Практическая значимость. Разработанные методы расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик для устьев рек приливных морей дают возможность решать широкий круг прикладных водохозяйственных и экологических задач.

Результаты проведенных исследований использовались при разработке проекта обустройства Приразломного нефтяного месторождения в Печорском море (1994 г.) и проекта "Северные Ворота" (1996 г.) для описания фоновых гидрохимических характеристик и оценки возможности попадания аварийной нефти в устья рек. Они применялись при определении влияния органических веществ, содержащихся в водах устья Северной Двины, на работу Архангельской ТЭЦ (1995 г.), при оценке рыбохозяйственного ущерба, возникающего при проведении гидротехнических работ на акватории ПО "Севмашпредприятие" в устьевой области Северной Двины (2001 г.) и при выборе источников питьевой воды для населенных пунктов Ненецкого автономного округа, расположенных в устьях рек (2002 г.). Эмпирический метод разработки нормативов ПДС был реализован на Соломбальском ЦБК в дельте Северной Двины (1990, 2001 г.).

Исследования, проведенные с применением разработанных методических приемов, использовались в работе Двино-Печорского водного бассейнового управления МПР РФ (2001-2002 гг.) и в докладах по состоянию окружающей среды, подготавливаемых ГУПР МПР по Архангельской области (2002-2003 гг.). Схема мониторинга химического состава опресняемых морских вод, учитывающая приливные явления, внедрена автором в СевПИНРО с 2000 года при проведении прибрежных рейдовых наблюдений на Белом море. Для Архангельского государственного технического университета подготовлено учебно-методическое пособие по применению одномерных регрессионных моделей для водохозяйственных исследований в приливных устьях рек.

Личный вклад автора. Все идеи, заложенные в основу диссертации и полученные новые научные результаты, принадлежат автору. Автор принимал участие практически во всех экспедиционных работах, результаты которых использовались при проведении диссертационных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладовались на многих научных международных, всероссийских и региональных совещаниях, конференциях и симпозиумах в период 1990 - 2002 годы, в том числе на Всероссийском совещании "Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия" (Апатиты, 1998), Международной научной конференции, посвященной 90-летаю со дня учреждения Архангельского общества изучения Русского Севера (Архангельск, 1999), XI съезде Русского географического общества (Архангельск, 2000), VIII Региональной научно-практической конференции "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря" (Беломорск, 2001), VIII Всероссийской конференции по проблемам рыбопромыслового прогнозирования (Мурманск, 2001), Международной конференции "Биологические основы устойчивого развитая прибрежных морских экосистем (Мурманск, 2001), Конференции "Современные проблемы стохастической гидрологии" (Москва, 2001), XII Международной

конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 2002 г.), Научно-практической конференции "Нормирование водоотведения на целлюлозно-бумажных предприятиях бассейна р. Северная Двина в рыночных условиях (Архангельск, 2003 г.), Отчетной сессии ПИНРО по итогам НИР в 2001-2002 гг., посвященной 85-летию со дня рождения К.Г.Константинова (Мурманск, 2003 г.).

Публикации. Результаты исследований приведены в 82 научных публикациях, в том числе в 5-ти монографиях. Список работ, в которых нашли свое отражение основные положения диссертации, дан в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 290 листов машинописного текста, 47 таблиц и 57 рисунков. Список использованной литературы включает 124 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении показана актуальность разработки методов расчета и прогнозирования гидрохимических характеристик приливных устьев рек, определяется цель работы задачи исследований. Здесь приводятся основные положения, которые выносятся на защиту, и раскрывается новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Приливные явления в устьях рек и их роль в смещении речных и морских вод.

В этой главе дается классификация устьев рек и приливных явлений, рассматривается механизм смешения речных и морских вод при различных величинах прилива с учетом геоморфологических особенностей устьевых водотоков и водоемов.

Согласно Михайлову В.Н. устьевая область реки (устье реки) это особый географический объект, охватывающий район впадения реки в море, обладающий специфическим строением, ландшафтом и режимом и формирующийся под воздействием устьевых процессов: динамического взаимодействия и смешения вод реки и моря, отложения и переотложения речных и частично морских наносов, приводящих к образованию конуса выноса, а нередко и дельты.

Устьевые области рек, впадающих в моря, являются водными объектами, для которых характерны сложные природные условия. Здесь при смешении пресных речных и соленых морских вод формируются хорошо выраженные фронтальные разделы. Устья рек могут выступать интегральными индикаторами различных процессов, происходящих на обширной площади речного водосбора и на примыкающей морской акватории. Пространственно-временная изменчивость параметров устьевых вод, в свою очередь, приобретает еще более сложный характер

при наличии четко выраженных приливных явлений, имеющих различные временные масштабы - от нескольких часов до нескольких десятков лет.

Наиболее репрезентативным индикатором приливных явлений в водных объектах, как правило, служат соответствующие изменения уровня воды. Максимальная величина прилива может достигать 16 метров. Приливные колебания уровня моря связаны с влиянием астрономических факторов и формируются под действием Луны, Солнца и планет солнечной системы. Приливообразующая сила может быть представлена как сумма гармонических составляющих. Наибольший вклад в приливные явления дают гармоники, периоды которых близки к половине суток и к суткам. Кроме этих составляющих следует выделить приливные циклы с периодом 15 суток, месяц и 6 месяцев, а в некоторых районах за счет нелинейной мелководной трансформации приливной волны наблюдаются 4-х и 6-ти часовые обергармоники.

Приливные колебания уровня воды на морской границе устья реки вызывают изменения наклона водной поверхности, которые проявляются в распространении гравитационных волн вверх по устьевому водотоку. Скорость их распространения прежде всего, зависит от глубины водотока и ее отношения к величине прилива.

По величине сизигийного прилива на устьевом взморье выделяют микроприливные условия (0.3 м< Н < 1.6м), мезоприливные условия (1.6 м< Н < 2.8 м) и макроприливные условия (Н > 2.8 м). Устья рек с величиной прилива менее 0.3 м относятся к неприливным водотокам (водоемам).

Приливные изменения уровня моря влекут за собой появление соответствующих течений, которые в устьевых системах играют доминирующую роль. В фазу прилива воды обычно переносятся вверх по водотоку, в фазу отлива -вниз по водотоку в сторону моря, формируя квазициклические колебания в передвижениях водных масс. В изменениях скоростей таких течений обычно хорошо прослеживаются суточные и полумесячные (месячные) неравенства приливов, а также всевозможные эффекты, связанные с мелководной трансформацией приливной волны.

Величина прилива оказывает, наряду с объемом речного стока, определяющее влияние на стратификацию вод в приливных устьях рек, индикатором которой служит вертикальное распределение солености. Принято различать три типа устьевых вод: воды с полным (хорошим) перемешиванием, воды с частичным (умеренным) перемешиванием и воды с наличием клина осолоненных вод (сильная стратификация). Первый тип смешения характерен для меженного речного стока и макроприливных условий. По мере возрастания речных расходов и уменьшения величины прилива происходит замена первого типа смешения на второй, а затем на третий тип. Поэтому во многих устьях рек наблюдаются сезонные изменения типа смешения, связанные с соответствующими колебаниями речных

расходов, и полумесячные колебания, отражающие фазовые (квадратурно-сизигийные) изменения величины прилива.

Наличие приливных течений влечет за собой периодическое усиление литодинамических процессов в устьевых водотоках, сопровождающихся появлением кратковременных локальных максимумов и минимумов в содержании взвесей. В зависимости от их величины разница между концентрациями взвесей в различные фазы прилива может достигать 1-2 порядков. Наносы в приливных устьях рек, благодаря высокой гидродинамичности их вод, беспрерывно подвергаются процессам размыва, переноса и нового отложения. На механический процесс отложения и размыва наносов накладывается физико-химический процесс флоккуляции взвесей и дефлоккуляции частиц донных отложений за счет приливных передвижек зоны осолонения эстуарных вод. В конечном итоге

содержание взвесей в водах приливного устья реки приобретает сложный квазигармонический характер, что, в конечном счете, отражается и на их гидрохимических характеристиках.

Изменчивость содержания взвесей в устьях рек в зимний период усиливают и подвижки льда, примерзающего к донным отложениям мелководных участков при квадратуре и всплывающего с частью грунта при сизигии. Необходимо отметить, что приливные колебания уровня воды и приливные течения генерируют постоянные деформации ледового покрова в замерзающих устьях рек. Приливные трещины во льду могут распространяться на многие десятки километров вверх по устьевому водотоку, что оказывает заметное влияние на газообмен воды и атмосферы.

Одним из специфических элементов приливных устьев рек является наличие так называемых приливных осушек, которые представляют собой периодически заливаемые и осушаемые в течение фаз прилива и отлива прибрежные участки водотока (водоема). В некоторых устьевых областях рек, особенно с большой величиной прилива ширина такой осушки может достигать нескольких километров. Во многих эстуариях площадь приливной осушки в несколько раз превышает площадь русла, по которому идет сток речных вод в море. Для многих приливных устьев рек площадь таких зон в квадратуру и сизигию имеет довольно большие различия.

Глава 2. Особенности формирования гидрохимического режима приливных устьев рек.

В данной главе раскрывается специфика формирования химического состава устьевых вод при наличии приливных явлений.

Характерной чертой гидрохимического режима устьевых областей рек приливных морей является большая пространственно-временная изменчивость многих его показателей. На таких водных объектах она может на 1-2 порядка и

более превышать их колебания в чисто речных или чисто морских водах (табл.2.1). Подобную изменчивость может резко усиливать или, наоборот, ослаблять техногенное воздействие, в частности, сброс сточных вод, или дноуглубительные работы.

Таблица 2.1

Характеристика изменчивости некоторых гидрохимических показателей в течение приливного цикла в эстуарии реки Омы в Баренцевом море (апрель 1981 г.)

Показатель Створы (станции) отбора проб воды

50 км выше морской границы 12 км выше морской границы Морская граница эстуария

Диапазон Размах Диапазон Размах Диапазон Размах

Хлориды, г/дм 0.05-0.08 0.03 1.37-10.05 8.68 17.32-18.26 0.94

Щелочность, мг-экв/ дм3 2.05-2.55 0.50 1.53-2.83 1.30 2.42-2.56 0.14

Величина рН 7.18-7.26 0.08 6.92-7.40 0.48 7.86-7.87 0.01

Кислород, мг/дм 1.27-1.46 0.19 2.83-9.82 6.99 10.17-10.59 0.42

Кремний, мг/дм3 1.77-1.95 0.18 1.79-8.57 6.78 1.77-1.82 0.05

Фосфор фосфатный, мг/ дм3 0.004-0.009 0.005 0-0.039 0.039 0-0.005 0.005

Химический состав вод в устьевых областях рек формируется под воздействием 4-х основных факторов: речного стока, морских вод, климатических условий и антропогенного влияния, взаимодействие которых во многом определяет геоморфология устьевых водотоков и водоемов. Эти факторы, в свою очередь, регулируют гидробиологические процессы, играющих значительную роль в изменчивости гидрохимических характеристик устьевых вод в вегетационный период. Здесь необходимо учитывать масштаб воздействия данных факторов, который условно можно подразделить на две категории - региональный и локальный. Региональный масштаб воздействия на качество вод охватывает всю устьевую область реки и зависит от ее стока, гидрологический условий моря и метеорологических условий. Локальный масштаб воздействия на 1- 3 порядка слабее регионального и зависит от таких факторов, как техногенное загрязнение, сток боковых притоков реки в пределах устьевой зоны и особенности гидробиологических процессов. В некоторых устьях рек к ним необходимо добавить приток подземных вод в меженных условиях. Следует заметить, что влияние антропогенного фактора иногда может распространяться на всю устьевую область реки.

Если внутри зоны смешения речных и морских вод выделить фиксированный створ, то приливные подвижки профиля гидрохимического параметра вдоль эстуария можно отразить через его временную изменчивость. Она будет представлена циклическими колебаниями, периоды которых соответствуют приливным гармоникам. Наибольший размах таких колебаний будет наблюдаться для участка максимального пространственного градиента гидрохимического параметра. Подобный участок для консервативных веществ природного происхождения обычно располагается в середине зоны смешения речных и морских вод.

В реальных условиях колебания во времени гидрохимических показателей в приливных устьях рек часто бывают далеки от правильных гармонических изменений. Это обусловлено наличием сложного спектра приливных и иных возмущений с различными периодами и фазами воздействия (табл.2.2) и геоморфологическими особенностями устьевого водотока.

Таблица 2.2

Характеристика факторов, определяющих временную изменчивость параметров качества вод приливных устьев рек

Наименование фактора Генерируемые циклы Характер воздействия Примечания

Астрономический (приливной) 4,6 часов Периодический Проявляется не на всех участках

Полусуточный Периодический

Суточный Периодический

Полумесячный Периодический

Месячный Периодический

Долгопериодные циклы (месяцы, годы) Периодический Имеют очень малую амплитуду

Климатический Синоптический (3- 30 суток) Случайный

Сезонный Квазипериодический

Годовой Периодический

Многолетние циклы Квазипериодический Наиболее известны - 2,11 и 100 летние циклы

Биологический Суточный Квазипериодический Только в вегетационный период

Сезонный Квазипериодический

Техногенный Полипериодный (часы-годы) От случайного до квазипериодического

Наибольшие искажения в короткопериодные колебания состава устьевых вод вносят сгонно-нагонные явления, вызываемые штормовыми ветрами. По масштабам своего воздействия они часто совпадают с приливными эффектами, причем

наложение нагонов (сгонов) на прилив часто носит нелинейный характер. Следует заметить, что прослеживается следующая закономерность - чем больше величина прилива и пространственный градиент растворенной примеси, тем больше ее изменения напоминают гармонический процесс. Подобная ситуация наиболее характерна для минерализации, главных ионов, реже биогенных солей.

В качестве примера наложения на приливную изменчивость гидрохимического показателя возмущений различного происхождения приведем данные наблюдений в протоке Кузнечихе в устьевой области р. Северной Двины 1126 апреля 1988 года. На рис. 1 хорошо прослеживается влияние кратковременного таяния снега 11 апреля и начало устойчивого весеннего половодья с середины апреля, которое по мере своего развития практически "подавило" приливные флюктуации.

С, мг/куо.дм 300

0 I I .............. ..............

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

даты

Рис. 1.Короткопериодная изменчивость содержания хлоридов в протоке Кузнечихе в дельте Северной Двины на створе д. Корелы в апреле 1988 года

Для веществ, зависящих от содержания взвесей, пространственно - временная изменчивость сильно усложняется из-за взмучивания донных отложений на пике скоростей приливных и отливных течений и изменения физико-химических условий седиментации. Для них, например, при полусуточном приливе обычно фиксируются не два, как для растворенных примесей, а четыре локальных экстремума. Подобная картина наиболее часто наблюдается для БПК, ХПК, сложных органических соединений и некоторых тяжелых металлов. Несмотря на значительные различия в короткопериодной изменчивости различных ингредиентов в приливных устьях рек, можно указать на наличие для нее общего признака - доминирование цикла, генерируемого лидирующей приливной гармоникой (полусуточной или суточной в зависимости от типа прилива). В разгар вегетационного периода для кислорода и других показателей, тесно связанных с гидрологическими процессами, преобладающим может стать суточный цикл, зависящий от активности солнца.

Приливная осушка, покрытая илистыми и глинистыми отложениями, является хорошим сорбентом многих химических соединений, включая тяжелые металлы и токсические органические вещества. Процесс их накопления в верхнем слое наиболее характерен для квадратурного периода. В сизигию он сильно ослаблен, или даже идет обратный процесс десорбции (вторичного загрязнения), способствующий дальнейшей миграции химических веществ в море. В жаркое время года обширные приливные осушки интенсифицируют процессы минерализации и деструкции органических веществ. Маршевая растительность обычно в вегетационный период обычно играет роль свообразного биоплато, поглощающего биогенные соли и ряд других веществ, включая токсические соединения. При ее отмирании в сизигию происходит дополнительное поступление в водную среду взвесей и органики.

На замерзающих морях обширные илистые и глинистые осушки в устьях рек иногда создают условия для появления высокоминерализованных морских вод (до 3 8-40 %о). Это явление, например, характерно для мелководных устьевых взморьев рек юго-восточной части Баренцева моря, сток которых резко истощается в зимнюю межень. Оно, очевидно, обусловлено спецификой накопления в верхних слоях наносов солей, попадающих сюда при процессах рассоления льдов, и их последующим поступлением в водную среду за счет деформации донных отложений при сизигийных приливах.

Особый интерес в рамках рассматриваемой проблемы вызывает связь изменений гидрохимических показателей с колебаниями уровня воды, который как ранее указывалось, служит базовым индикатором приливных явлений. Анализ подобных связей выявил, что их в большинстве случаев удается аппроксимировать эллипсами (рис.2). В связи с этим предлагается ввести понятие приливного гидрохимического эллипса. Он наиболее хорошо выражен для консервативных веществ во фронтальных зонах. На перифериях таких зон его форма сильно искажается, но в целом она может интерпретироваться как усеченный эллипс.

Как и в устьевых областях рек неприливного моря, в рассматриваемых водных объектах располагается эстуарный биогеохимических барьер. Но здесь его локализация отличается значительной пространственной изменчивостью. Следует отметить, что для приливных устьев рек обычно прослеживается следующая закономерность - чем больше величина прилива, тем протяженнее становится фронтальный раздел с одновременным ослаблением пространственных градиентов. Это налагает соответствующий отпечаток и на размеры биогеохимического барьера

Сочетание сильных скоростей течений (2-3 м/с) и высокого содержания взвесей (500-1000 мг/л и более) в некоторых приливных эстуариях ведет к появлению уникальных условий, которые можно охарактеризовать как наличие своего рода очень мощной гидромельницы. Она способна переводить в мелкодисперсное и растворенное состояние крупные взвешенные и влекомые частицы, комки, продукты жизнедеятельности животных и растений, агломераты

различного генезиса, вызывая появлений концентраций для ряда

ингредиентов, не характерных для чисто речных и чисто морских вод

а) б)

Рис.2. Графики связи приливных колебаний уровня воды в течение полусуточного цикла с лигнином (а) в протоке Кузнечихе в дельте Северной Двины (0.5 км ниже выпуска стоков СЦБК), с нефтяными углеводородами (б) в Унской губе Белого моря (п. Пертоминск), с соленостью (в) в устье реки Кеми (порт Кемь) и с кислородонасыщением (г) в устье р.Мезени (м. Березовый)

Таким образом, поведение различных веществ в приливном устье реки, может заметно отличаться друг от друга, причем как по всему водному объекту, так и на его отдельных участках, что необходимо обязательно учитывать при разработке расчетных схем и моделей для гидрохимических показателей.

Глава 3. Краткий обзор состояния исследований химического состава вод приливных устьев рек численными методами.

Исследованиям химического состава и состояния загрязненности устьевых вод в Российской Федерации и ранее в СССР уделялось сравнительно мало внимания по сравнению с речными водами и водами открытых морских акваторий. При этом специфика формирования гидрохимических характеристик приливных устьев рек

практически не затрагивалась, а основной упор делался на изучение устьевых вод бесприливных морей (Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского). Следует отметить, что за рубежом в развитых странах для исследований качества эстуарных вод прилагаются значительные усилия. В отличие от России здесь существует довольно большое количество специализированных научно-исследовательских учреждений и научных журналов, чья деятельность ориентирована на изучение устьев рек.

В диссертации дается анализ отечественной и зарубежной научной литературы, посвященной рассматриваемой теме. Необходимо заметить, что вопросы, связанные с исследованиями вод приливных устьев рек, в отечественных и, особенно, зарубежных публикациях освещаются достаточно часто, но при этом явно доминируют гидрологическая и геоморфологическая тематика. В отечественных монографиях, посвященных гидрохимии зон смешения речных и морских вод преобладает изучение устьев рек неприливных морей.

В литературе, посвященной устьям рек приливных морей, можно условно выделить два основных направления исследований. Первое направление связано с моделированием пространственно-временной изменчивости солености, разбавления сточных вод и иногда изменений в системе "кислород - Б ПК". При этом большинство используемых моделей опирается на применение уравнений адвективно-диффузионного переноса примеси. Их авторами, как правило, являются специалисты по прикладной математике, гидрологии (гидродинамике) и гидротехнике. Основным недостатком такого подхода является формализация гидрохимических характеристик, когда в качестве объекта исследования рассматривается либо соленость, либо абстрактная субстанция, заменяющая широкий спектр разнообразных по своим свойствам веществ.

Второе направление отражает чисто описательный подход к изучению пространственно-временной изменчивости различных ингредиентов в приливных устьях рек без привлечения каких-либо численных схем. Среди таких ингредиентов чаще всего фигурируют биогенные вещества, тяжелые металлы и токсические органические соединения. Подобные исследования обычно проводят специалисты по химии окружающей среды, географы и гидробиологи. Основным недостатком такого подхода является непонимание роли приливов в процессах формирования гидрохимического режима устьев рек и отсутствие их численной оценки, что не дает возможности получать соответствующие прогнозы изменений качества устьевых вод. Синтез двух рассматриваемых направлений в изучении подобных водных объектов прослеживается крайне редко и только в статьях, монографии по данной проблеме отсутствуют.

Отдельно необходимо коснуться проблемы прогнозирования гидрохимических показателей в приливных устьях рек. К сожалению, следует констатировать отсутствие каких-либо методических проработок по данной проблеме. Автор не нашел ни одной специализированной статьи, тем более монографии, посвященной

ее решению. Следует указать, что вопросам прогнозирования качества вод в реках и водохранилищах уделяется определенное внимание, однако и для них научно-методические исследования не достигли уровня, характерного для речных и морских гидрологических прогнозов. Все это еще раз подчеркивает актуальность проводимых исследований

Глава 4. Методы расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик устьев рек приливного моря,

В этой главе рассматривается методология определения режимных гидрохимических характеристик и гидрохимического прогнозирования в приложении к оценке состава вод приливных устьев рек. Дается научно-методическое обоснование предлагаемых подходов с иллюстрацией практических расчетов на конкретных примерах.

В настоящее время отсутствует единое (официальное) определение для характеристик (параметров) гидрохимического режима водных объектов, в том числе для устьев рек. Как показывает анализ различных методических и справочных пособий, под режимными характеристиками обычно понимается набор данных, обобщенных в той или иной форме для описания пространственно-временной изменчивости гидрохимических показателей.

В наиболее простой форме режимные характеристики представляются в виде таблиц или графического материала для серии (группы) наблюдений, приуроченных к определенному периоду, без какой-либо специализированной обработки. В более сложном варианте они выражаются через набор статистических параметров, отражающих пространственно-временные колебания гидрохимических показателей в исследуемом масштабе изменчивости. В число таких статистик, чаще всего входят среднеарифметические (средние) и экстремальные величины для месяца, сезона, года и группы лет (многолетнего периода), реже используются среднеквадратическое отклонение и повторяемости определенных концентраций.

Понятие фоновых гидрохимических характеристик появилось в 80-х годах прошлого , века при решении задач, связанных с оценкой антропогенного воздействия на качество поверхностных вод. В "Гидрохимическом словаре"

(Л., 1989).., под фоновыми гидрохимическими характеристиками понимается качество воды или водоема до поступления в него сточных вод источника загрязнения или качество воды по пункту наблюдений, где нет непосредственного поступления загрязняющих веществ и химический состав длительное время имеет определенный режим, отвечающий гидрологическому режиму. Необходимо указать, что подобная формулировка носит узкий характер, т.к. жестко привязана к антропогенному воздействию. Следует отметить, что при нормировании сброса сточных вод используется более узкоспециализированное понятие фоновой концентрации, которая соотносится с наиболее неблагоприятными гидрологическими условиями для разбавления сточных вод.

Для устьев рек приливных морей предлагается использовать следующие формулировки:

• режимные гидрохимические характеристики - это статистические оценки, описывающие масштабы положения и изменчивости концентраций гидрохимического показателя, приуроченных к определенному моменту приливного цикл или осредненных за приливной цикл, в рамках выделенного периода (месяца, сезона, года, группы лет);

• фоновая гидрохимическая характеристика - это статистическая оценка масштаба положения концентраций гидрохимического показателя в рамках выделенного периода (месяца, сезона, года, группы лет), полученная на основе наблюдений в те моменты приливного цикла, когда устьевые воды в точке исследований не испытывают влияния сточных вод.

Здесь под оценкой масштаба положения подразумеваются статистики, характеризующие центр распределения анализируемых данных, например, среднее значение, под оценкой масштаба изменчивости - статистики, характеризующие отклонения анализируемых данных от оценки масштаба положения, например, дисперсию. Под определенными моментами приливного цикла понимаются сроки наступления малой и полной вод (сроки смены направления приливных течений), середины фазы прилива и (или) отлива. При отсутствии в устье реки

техногенного объекта, оказывающего заметное влияние на качество вод, режимные гидрохимические характеристики (оценки масштаба положения) могут быть использованы в качестве фоновых величин.

Достоверность определения режимных (фоновых) характеристик тесно связана с количеством используемых данных и применяемых статистик. Наиболее широкое распространение при определении режимных и фоновых гидрохимических характеристик, в том числе при составлении различного рода проектной документации, получило использование средних концентраций, хотя в некоторых изданиях кроме среднего (среднеарифметического) значения рекомендуется использование медианы.

Известно, что среднее значение имеет максимальную эффективность для нормального и гамма-распределения. Но данный параметр, а также стандартное отклонение, быстро теряют свою эффективность для асимметричных

распределений с "утяжеленными хвостами" и для малых выборок с наличием даже одного выделяющегося значения ("выброса"). Например, для 12 ежемесячных наблюдений за содержанием загрязняющего вещества, имеющих значения 0.1 ПДК для 11 месяцев и 23 ПДК для одного месяца, среднее значение за год составит 2 ПДК. Получаем формальный вывод о значительном фоновом загрязнении водной среды по исследуемому гидрохимическому показателю. В данной ситуации величина в 23 ПДК может быть результатом аналитической ошибки или реальной величиной, но имеющей очень малую повторяемость, например, не более 5 %. В

конечном счете, прикладное использование подобного значения может привести к значительной потери эффективности природоохранных мероприятий. Разумеется, для получения достоверной информации можно увеличить количество наблюдений, но это требует времени и значительных финансовых затрат на дополнительные анализы. Приведенный пример ярко иллюстрирует пагубность формального отношения к статистической обработке гидрохимических наблюдений.

Известно, что многие гидрохимические показатели, особенно зависящие от техногенного влияния, имеют асимметричные распределения. В диссертационной работе показано, что подобная ситуация также характерна для солености и других ингредиентов с наличием пространственного градиента в начале и в конце зоны смешения морских и речных вод в приливных морях.

Для корректного статистического анализа данных при отклонении распределения от нормального закона, или неизвестном законе распределения, а также при коротких выборках рекомендуется применять так называемые робастные или устойчивые (помехоустойчивые) подходы. Их можно подразделить на подходы, базирующиеся на применении ¿-оценок, Л-оценок и М-оценок. Первые представляют из себя линейные комбинации порядковых статистик (медиана, усеченное среднее, винзоризованное среднее и т.п.), Л-оценки определяются с помощью ранговых статистик, а М-оценки определяются аналогично методу максимального правдоподобия с помощью различных весовых функций.

В однопараметрических задачах, к которым обычно относятся статистические исследования гидрохимических характеристик для выделенного створа (точки), весьма привлекательным является применение ¿-оценок из-за простоты их вычисления и смысловой сопоставимости со стандартными статистиками. Анализ литературных источников показывает, что для изучения состояния различных природных сред и гидрохимических показателей, в частности, в качестве оценки центра распределения обычно рекомендуется использовать медиану и трехсреднее значение Тьюки (центральное среднее), а в качестве оценки масштаба распределения - интерквартильный размах и медиану абсолютных отклонений.

Трехсреднее значение находится по выражению

Ст = 0.25 ( Сои + 2 См + (4.1)

где С/)}} и Со.}} ~ квартили или другими словами медианы для половинок выборки. Интерквартильный размах определяется по формуле , а медиана

абсолютных отклонений (МАО) является медианой для выборки, сформированной из разностей между и

Для нормального распределения среднее значение, медиана и трехсреднее значение совпадают друг с другом. Это позволяет пользователю, слабо разбирающемуся в статистике, рассматривать вышеприведенные робастные параметры как улучшенную версию среднеарифметического значения и устраняет сложности по интерпретации полученных результатов и их использованию в

практических задачах. Действительно, медиана для малой выборки из генеральной совокупности с наличием "выбросов" в большинстве случаев будет больше соответствовать среднему значению для этой совокупности, чем среднее значение для малой выборки.

Результаты исследований, выполненных автором, позволяют утверждать о необходимости применения робастных оценок масштаба положения, как обязательного компонента при определении режимных и фоновых гидрохимических характеристик устьев рек приливного моря. Помимо более адекватного отражения состояния водной среды подобные статистики дают возможность проводить корректные сравнения экологических ситуаций, обеспеченных различным количеством наблюдений.

Статистический анализ позволяет получить комплекс статистик, характеризующих всю структуру исследуемых гидрохимических данных для приливного устья реки. Он дает возможность оценить:

• оценку масштаба положения (медиана, трехсреднее значение или среднеарифметическое значение);

• наиболее характерный диапазон изменчивости (интервал, заключенный между квартилями) или, другими словами, "ядро" распределения данных;

• экстремальные концентрации и их принадлежность к определенным моментам приливного цикла или к экстремальным выбросам.

Среднеарифметическое значение целесообразно использовать лишь при его малом отличии от робастных статистик.

При наличии соответствующих наблюдений вышерассмотренная процедура статистического оценивания проводится отдельно для моментов малой и полной вод приливного цикла. В случае отсутствия необходимых данных, но наличии хорошо выраженных различий между концентрациями исследуемого компонента в речных и морских водах, величинами, типичными для моментов полной и малой вод приливного цикла, можно считать значения между 75 % точкой и максимумом, а также между 25 % точкой и минимумом, (в зависимости от знака пространственного градиента).

Для характеристики гидрохимического режима устьевой системы в целом, по нашему мнению, достаточно иметь набор соответствующих статистик для 3-х створов: граничного речного, граничного морского и створа, расположенного в зоне максимальных градиентов солености. При наличии мощного точечного источника внутри эстуарной зоны загрязнения необходимо иметь сведения по дополнительным 2-м створам ниже и выше выпуска сточных вод.

В качестве примера реализации расчетной схемы режимных параметров в диссертации продемонстрированы результаты статистического анализа некоторых гидрохимических показателей для створа мыс Рябинов в эстуарии р. Мезени по многолетним наблюдениям Северного УГМС.

В практике гидрохимических исследований иногда возникает необходимость в получении статистик для отдельного приливного цикла. В частности, при использовании гидродинамических моделей распространения примеси часто применяется понятие концентраций, осредненных за приливной цикл и приуроченных к моменту малой или полной воды. Если эти параметры рассматривать в рамках сезонной и более долгопериодной изменчивости, то они будут близки к соответствующим режимным характеристикам. Однако при определении рассматриваемых параметров для конкретного приливного цикла, например, при верификации модели, появляются определенные сложности, т.к. они относятся к смещенным оценкам. Другими словами, осреднение за приливной цикл и выбор экстремумов приливной природы в условиях нестационарности колебаний гидрохимических показателей будет зависеть от сроков наблюдений, которые использовались при получении необходимых натурных данных. Решением этой проблемы может быть использование приливного гидрохимического эллипса, т.к. он отражает изменчивость состава устьевых вод в масштабе приливных изменений уровня воды.

Из существования приливного гидрохимического эллипса, учитывая его свойства, вытекают следующие закономерности:

• экстремумы приливных колебаний уровня воды и гидрохимических показателей не совпадают;

• изменения гидрохимических показателей в фазы отлива и прилива во временной шкале ассиметричны;

• осредненное за приливной цикл значение гидрохимического показателя может быть получено как половина суммы 2-х концентраций (точек эллипса), образующих ось, проходящую через центр эллипса.

Тогда для осредненной за приливной цикл концентрации можно получить следующий ряд зависимостей

сср = (См+С^2 = (С^+С^/2 = ГС*„р+С^/2= (С^+С^/г, (4.2)

в которых См, и С„ - концентрации в моменты малой и полной воды приливного цикла, соответственно; - концентрация для момента смены отливного течения на приливное после МВ, См+ - концентрация для момента смены приливного течения на отливное после ПВ; С^ и С^ - концентрации в моменты наступления среднего уровня в фазу прилива и отлива, соответственно; и

концентрации, осредненные за фазу прилива и отлива, соответственно. Таким образом, для получения статистик по гидрохимическому показателю для отдельного приливного цикла вместо значительного числа измерений с малой дискретностью можно ограничиться всего двумя наблюдениями для определения и

Они будут соответствовать экстремумам, а среднее далее легко определить по формуле Правда, практическое использование данного подхода возможно лишь в пределах фронтальной зоны. На ее периферии приливной гидрохимический эллипс

существенно искажается, и расчет среднего значения по 2-м измерениям становится некорректным.

Расчет режимных и прогнозных характеристик можно рассматривать, как последовательные стадии единого процесса. В общем случае нахождение режимных гидрохимических параметров укладывается в рамки процесса составления статистического диагноза, который предваряет процедуру последующего прогнозирования.

В настоящее время отсутствуют какие-либо устоявшиеся взгляды на методологию прогнозирования химического состава устьевых вод. Методические документы (пособия), посвященные прогнозированию параметров гидрологии вод суши и морей, практически не затрагивают возможность их применения для предсказания гидрохимических характеристик. Относительно ясная картина по данной проблеме существует лишь для речных вод, благодаря соответствующим исследованиям Гидрохимического института (ГХИ). Однако его методики в основном базируются на использовании гидрологических данных (часто малодоступных), что усложняет практическую процедуру прогнозирования. Кроме этого полностью игнорируется проблема учета погрешностей аналитического определения некоторых ингредиентов, которая в области малых концентраций может достигать 30-50 %.

Для морских акваторий и устьев рек системные исследования по методологии гидрохимического прогнозирования практически не проводились, хотя термин "прогноз" широко используется при расчетах показателей качества морских вод, связанных со сбросом сточных вод и аварийными поступлениям загрязняющих веществ в водные объекты. Эти расчеты, как правило, базируются на адвективно-диффузионных уравнениях переноса примеси и игнорируют решение вопросов, обязательных для процедуры прогнозирования, в первую очередь, определение ошибки прогноза. В итоге возникает неопределенность с возможностью практического использования результатов вышеупомянутых расчетов.

В настоящее время прогнозированием гидрологических условий в устьях рек, как правило, занимаются специалисты океанологи. Сравнение оценок, используемых для гидрологических морских прогнозов с параметрами гидрохимического прогнозирования, предлагаемыми ГХИ, говорит о наличии существенных расхождений между ними. Большим плюсом гидрологического прогнозирования является увязка параметров прогнозов с их заблаговременностью и наличие различных методов оценки их эффективности.

Использование для приливных устьев рек методов речного гидрохимического прогнозирования, вполне возможно, однако получаемые при этом результаты не учитывают короткопериодную приливную изменчивость исследуемых ингредиентов. В этой ситуации использование результатов наблюдений, не привязанных к конкретному моменту приливного цикла (случайным образом взятых), генерирует дополнительную дисперсию, которая будет увеличивать

погрешность прогнозных расчетов. Для ее минимизации необходимо применять либо осредненные за приливной цикл концентрации исследуемого ингредиента, либо данные, относящиеся только к определенному моменту приливного цикла, например, к его полной или малой воде.

Нестыковка гидрологических (морских) и гидрохимических (речных) прогнозов по их заблаговременности и параметризации заставляет сделать соответствующий выбор для гидрохимии приливных устьев рек. В данном отношении, по мнению автора, более предпочтительно выглядят первые, т.к. они отличаются более детальной научно-методической проработкой и достаточно продолжительной историей практического применения. При этом необходимо в максимальной мере учесть специфику гидрохимических исследований.

По заблаговременности предлагается гидрохимические прогнозы подразделить на следующие виды:

• оперативные прогнозы (от нескольких часов до 1 месяца);

• долгосрочные прогнозы (от 1 до 4 месяцев);

• сверхдолгосрочные прогнозы (более 4 месяцев):

• проектные прогнозы (на срок до наступления события, которое определяет прогнозируемые изменения гидрохимических характеристик).

Оперативные прогнозы ориентированы на предсказание явлений в масштабах короткопериодной приливной и синоптической изменчивости, долгосрочные прогнозы - на предсказание внутрисезонных изменений исследуемого показателя, а также его изменений на смене сезонов, сверхдолгосрочные прогнозы - на предсказание внутригодовых, межгодовых и многолетних изменений гидрохимических характеристик.

Как уже отмечалось выше, иногда возникает необходимость в получении гидрохимической информации при отсутствии каких-либо наблюдений на конкретном водном объекте или его локальном участке. Расчет необходимых параметров в данной ситуации можно условно рассматривать, как "режимный прогноз", который обеспечивает заинтересованного потребителя нужными сведениями до момента появления новой, более достоверной информации за счет проведения натурных исследований.

При прогнозировании гидрохимических характеристик, приуроченных к определенному моменту приливного цикла, к указанию заблаговременности прогноза' добавляется прилагательное приливной. Например, для предсказания изменений концентрации исследуемого ингредиента через месяц для моментов полной воды применяется понятие приливного оперативного прогноза, через год -приливного сверхдолгосрочного прогноза и т.д.

Для оценки возможности прикладного применения оперативных, долгосрочных и сверхдолгосрочных гидрохимических (приливных

гидрохимических) прогнозов следует использовать критерии, действующие для традиционных морских гидрологических прогнозов.

Проектные гидрохимические прогнозы, в первую очередь, предназначены для подготовки предпроектной (инвестиционной) и проектной документации по планируемой хозяйственной деятельности, оказывающей негативное воздействие на водные экосистемы. Для оценки их точности рекомендуется использовать подходы, применяемые для сверхдолгосрочного прогнозирования (при наличии возможности, определяемой методом прогнозирования). Спецификой проектных прогнозов является наличие неопределенности с заблаговременностью прогноза и с проверкой его оправдываемости, т.к., реализация проектов, особенно связанных со строительством крупных промышленных объектов, часто сопровождается отклонениями от намеченных сроков завершения (иногда на срок более 5-10 лет) или от предусмотренных технологических решений в процессах водопользования. Аналогичные прогнозы также рекомендуется подготавливать для предсказания гидрохимических последствий гидрометеорологических явлений редкой повторяемости (сильные штормовые нагоны, аномально суровая зима, засуха и т.п.). Они могут разрабатываться заранее и вступают в действие только при появлении соответствующих гидрометеорологических прогнозов.

"Режимные прогнозы" предназначены для расчета гидрохимических характеристик для конкретного участка водного объекта, для которого отсутствуют какие-либо сведения по исследуемым показателям и возможность проведения натурных наблюдений в период, соответствующий заблаговременности прогноза. При этом предполагается, что в данный период (месяц, сезон) конкретного года или группы последующих лет отмечается квазистационарность исследуемых гидрохимических условий. Подобные расчеты ведут с привлечением информации по обследованным (доступным) участкам водного объекта или по гидрологическим параметрам, если они известны для изучаемого участка водного объекта. Полученные таким образом сведения представляют своего рода альтернативу режимным гидрохимическим характеристикам, но быстро теряют свою

практическую значимость при появлении результатов полевых исследований.

Анализ различных подходов к классификации прогнозов с учетом специфики гидрохимических показателей позволяет предложить для прогнозирования химического состава вод приливных устьев рек следующие 5 методов:

• физико-статические;

• методы моделей временного ряда;

• гидродинамические;

• балансовые;

• комбинированные.

Физико-статистические методы прогнозирования опираются на наличие связей между гидрологическими (и иными) факторами с исследуемыми гидрохимическими

показателями. Они, также включают в себя модели "черного ящика" для ситуаций, когда невозможно четко выявить механизм влияния предиктора на изменчивость предиктанта.

Методы моделей временного ряда базируются на связях между концентрациями гидрохимического показателя в данном ряду. При этом могут быть использоваться, как эквидистантные, так и не упорядоченные по срокам отбора проб воды (по измерениям), наблюдения. По своей сути они соответствуют генетическим и вероятностным методам, используемым для прогноза океанологических параметров, а также их комбинациям.

Эти два вышеупомянутых подхода в гидрохимическом прогнозировании образуют группу эмпирических методов. Их особенностью является обязательное использование результатов натурных наблюдений в изучаемой точке (на станции, створе, участке) устья реки.

Гидродинамические методы прогнозирования опираются на уравнения адвективно-диффузионного переноса примеси в водной среде, в том числе с учетом консервативности ее поведения. Основным их недостатком является необходимость в знании структуры течений и наличие ряда ограничений на параметризацию уравнений переноса примеси в условиях разномасштабности гидродинамических процессов.

Гидродинамические уравнения переноса примеси можно получить из уравнений баланса вещества. Тем не менее, с учетом принятого в гидрохимии их разделения балансовые методы прогнозирования целесообразно рассматривать отдельно от гидродинамических. И, наконец, комбинированные методы, синтезируют различные подходы, например, гидродинамического и балансового моделирования с методами статистических расчетов. Последние используются как для определения граничных (и начальных) условий, так и для оценок отдельных параметров в уравнениях переноса и баланса примеси в водных объектах.

В рамках проводимых автором исследований не затрагивались экспертные методы прогнозирования, хотя нет каких-либо принципиальных ограничений на их использование для гидрохимии устьев рек приливного моря. Однако очень узкий круг специалистов, занимающихся рассматриваемой темой, не способствует развитию этих подходов.

Сразу следует отметить, что для реализации вышеупомянутых методов гидрохимического прогнозирования можно пользоваться довольно большим спектром разнообразных расчетных алгоритмов. Общепризнанным, в данном отношении, является ориентация на применение наиболее простых подходов, если они не уступают по эффективности получаемых результатов сложным вычислительным схемам. Эмпирические методы прогнозирования при наличии необходимых материалов должны применяться в первую очередь, т.к. они позволяют получать наиболее достоверную информацию о состоянии устьевых вод и необходимые оценки эффективности прогнозов.. Данное утверждение

подкрепляется прогрессом в автоматизации наблюдений за гидрохимическими параметрами и появлением в последние годы разнообразных портативных анализаторов химического состава вод, в том числе сопряженных с компьютерами и телекоммуникационными каналами. Это позволяет быстро получать большие объемы первичных данных для разработки различных статистических моделей.

Эмпирическиеметодыпрогнозирования

Физико-статические методы. Данные методы гидрохимического прогнозирования, как уже ранее указывалось, базируются на наличии связи между содержанием исследуемого вещества (предиктантом) в устьевых водах и гидрологическим или иным параметром (предиктором). Она, в свою очередь, влечет за собой присутствие определенной зависимости между предиктором и предиктантом.

Регрессионные модели, описывающие зависимость химического состава вод от гидрологических характеристик, широко используются в исследованиях речных экосистем. Классическим примером является наличие хорошо выраженной зависимости минерализации речных вод от колебаний расходов реки, упоминание о которой можно найти в любом учебном пособии по гидрохимии. Для устьевых областей рек подобные модели, как правило, используются лишь для расчета солености, реже для определения главных ионов. Для приливных устьев рек расчет солености по изменениям речного стока обычно осуществляется по среднемесячным значениям. Следует отметить, что использование первичных данных по солености для регрессионного анализа без специальной процедуры их подготовки ("нормализации") часто дает неутешительные результаты из-за низкого коэффициента корреляции. Это, в основном, обусловлено сильным отклонением многих гидрохимических показателей в приливных устьях рек от нормального закона статистического распределения данных.

Для устьев рек и, особенно, приливных устьев, в качестве гидрологического параметра при разработке регрессионной модели для зоны смешения речных и морских вод может выступать соленость (хлорность, электропроводность). Ее использование часто дает эффективные результаты, т.к. объем накопленной информации по этому параметру обычно на 1-3 порядка превышает объемы данных по другим гидрохимическим показателям. С другой стороны соленость является легкозамеряемым параметром, что позволяет без особых затруднений проводить специализированные широкомасштабные наблюдения под разработки конкретной модели. Все это облегчает прогнозирование солености, позволяя в дальнейшем применять ее предсказанные значения для прогнозирования гидрохимических характеристик.

Помимо расходов реки и солености в качестве гидрологических параметров при разработке регрессионных параметров также могут выступать изменения уровня воды, в том числе величина прилива, и температура воды. Из данных параметров для целей прогнозирования наиболее привлекательным выглядят приливные

изменения уровня воды (величины прилива), прогнозная оценка которых на год вперед дается для многих устьев рек в навигационном пособии Таблицы приливов. При этом прогнозные уравнения, применяющие приливные изменения уровня, могут быть легко адаптированы для использования сгонно-нагонных колебаний уровня воды. Также следует отметить, что зависимость гидрохимических характеристик от приливных изменений уровня воды в большинстве случаев хорошо выражена только при значительной величине прилива, т.е. она типична, в первую очередь, для макро- и мезоприливных устьев рек.

Для зависимостей "гидрологический параметр - гидрохимический показатель" совокупность регрессионных уравнений можно свести к одномерной линейной регрессионной модели, представленной выражением

С = Л +ВхР+/(е), (4.3)

в котором С - значение исследуемого гидрохимического показателя в определенной точке устьевой зоны; Р - значение гидрологического ("управляющего") параметра, А и В - константы, определяемые по эмпирическим данным (например, по граничным значениям С и Р); Де) - функция ошибок (регрессионных остатков), показывающая различия между действительными и расчетными значениями С. Во многих случаях связь между С и Р имеет нелинейный характер, поэтому при перед началом регрессионного анализа необходимо провести предварительную процедуру линеаризации исходных данных.

Для определения вида уравнения (4.3) обычно применяют классический метод наименьших квадратов (МНК), но наиболее целесообразно использовать методы робастной регрессии, слабо реагирующие на наличие в коррелируемых выборках аномальных точек. Исследования по гидрохимическим данным показали, что наиболее удачным является расчетная схема с использованием функции потерь Мешалкина.

Функцию показывающую закономерность распределения регрессионных остатков можно оценивать различными способами. Наиболее простым методом при соблюдении'' нормального (гауссова) закона распределения является

использование среднеквадратической ошибки расчетов 95 % обеспеченности. Однако, как показывает анализ зависимостей "гидрологический параметр -гидрохимический показатель" для устьевых объектов приливных морей у регрессионных остатков иногда отсутствует устойчивый масштаб изменчивости. Довольно часто поле коррелируемых точек не удается аппроксимировать вытянутым прямоугольником или эллипсом. В подобных ситуациях тенденция изменения "ядра" распределения регрессионных остатков часто бывает замаскирована различными "выбросами", а их поле приобретает аморфную форму. Замена классического МНК на робастный метод позволяет выделить необходимую доминанту в исследуемой зависимости, но проблема оценки изменчивости неупорядочных регрессионных остатков при этом остается.

Для решения данной проблемы предлагается проводить

специализированный статистический анализ регрессионных остатков. Для этой цели поле остатков разбивается на интервалы, внутри которых их изменчивость около центра распределения (нуля) имеет индивидуальную форму. Интервалы могут быть одинаковой или произвольной ширины, а сверху и снизу 50 % точек (остатков) должны укладываться в интерквартильный размах. Далее, сгруппированные в выделенных интервалах, значения подвергаются статистическому оцениванию, рассмотренному ранее при определении фоновых величин, с выделением аномальных точек. Другими словами весь массив регрессионных остатков подвергается квартальному анализу, а в графической интерпретации их поле будет представлено набором так называемых "ящиков с усами" Тьюки". Соединяя последовательно для каждого выделенного интервала нижние и верхние квартили, а также "внутренние барьеры" Тьюки, получим необходимый набор информации для исследовательской оценки и проведения прикладных расчетов. В конечном счете, уравнение (4.2) приобретает следующую форму

С = А+ ВхР±Аер (4.3)

в которой - значения "верхнего" и "нижнего барьера" Тьюки" для -го

интервала.

Если объединить процедуры определения регрессии и анализа регрессионных остатков в единое целое, то можно получить новый робастный метод, который можно условно назвать методом интервальных медиан. При большом количестве коррелируемых точек он дает неплохие результаты. Для его реализации строится график связи исследуемых показателей. Далее, он разбивается на как можно большее число интервалов при условии, что в каждый из них попадет не менее 3-5 точек. Затем для каждого интервала строятся "ящики с усами" Тьюки и при помощи МНК по медианам определяется вид регрессионного уравнения. Данный подход несколько громоздок, но его привлекательность определяется возможностью индивидуальных статистических исследований отдельных участков коррелируемого поля (интервалов) не зависимо от общих закономерностей в распределении исследуемого гидрохимического показателя. Особенно это удобно для изучения разнообразных аномалий, формируемых техногенным воздействием и совместным влиянием приливов и ветровых сгонно-нагонных явлений.

При выборе управляющего (гидрологического) параметра в прогнозных регрессионных моделях для приливных устьев необходимо либо иметь его прогнозные величины, либо использовать имеющиеся (наблюденные) значения. В последней ситуации уравнение (4.2) трансформируется в следующее выражение

(4.4)

в котором индекс t означает момент составления прогноза, а индекс т указывает прогнозный шаг (заблаговременность) прогноза. При использовании для параметризации уравнения (4.4), величин, соответствующих определенным

моментам приливного цикла, составляемый прогноз приобретает категорию приливного прогноза.

Эффективность использования уравнения (4.4) во многом зависит от временных аспектов влияния гидрологического параметра на гидрохимические процессы. Здесь можно пользоваться сдвигом по времени между изменением гидрологических условий на замыкающем гидрометрическом створе и реакцией на такие изменения исследуемого гидрохимического показателя в зоне смешения речных и морских вод. Кроме этого реализация рассматриваемого подхода может опираться на высокую автокоррелированность изменений расходов (уровня) речных вод в определенное время года. В частности, она характерна для рек Белого и Баренцева морей в период осень-зима, когда наблюдается плавное снижение их стока. Такой период может длиться до 5-6 месяцев, что создает благоприятные условия для прогнозной оценки гидрохимических характеристик в зимнюю межень, для которой типична фиксация экстремальных концентраций многих ингредиентов.

При гидрохимическом прогнозировании с помощью приливных изменений уровня воды необходимо учитывать его сезонные колебания. Поэтому подобные расчеты необходимо вести дифференцировано для меженных условий, периодов весеннего половодья и дождевого паводка, не выходя за рамки заблаговременности оперативных прогнозов. При наличии междугодовой стационарности в изменчивости исследуемого ингредиента в рамках определенного сезона возможна разработка приливных сверхдолгосрочных прогнозов. Для решения

рассматриваемой задачи лучше всего применять линейное уравнение, описывающее связь величины прилива с концентрациями, фиксируемыми в полную и малую воды или в моменты смены направления приливных течений. При этом для разработки регрессионной модели можно использовать как фактические измерения уровня воды, так и расчетные значения, приводимые в навигационном пособии Таблицы приливов.

При использовании в качестве управляющего параметра солености следует учитывать ограничения, накладываемые временной изменчивостью коррелируемых показателей на вид регрессионного уравнения. Подобный подход, широко применяют для оценки поведения (консервативности) различных веществ при их миграции в зоне смешения речных и морских вод. Но при применении рассматриваемых уравнений иногда забывают, что оно выведено для стационарных условий. И, если, наблюдения, используемые для определения вида зависимости, не соответствуют фиксированному водному объему, прошедшему всю зону смешения речных и морских вод, то при наличии короткопериодных колебаний исследуемых показателей на ее границах, будет иметь место генерирование ложных нелинейных изменений в связях "ингредиент-соленость". При применении регрессионной модели в робастной версии данный недостаток обычно устраняется за счет перевода некорректных данных в разряд аномальных точек, имеющих малый вес при определении параметров модели. Правда следует отметить, что при применении

большого количества разнородных наблюдений, проведенных в рамках определенного сезона, процедура осреднения граничных значений также устраняет ложные нелинейности.

В диссертационной работе приведены практические примеры для составления:

• оперативного прогноза изменений концентраций сульфатов и кремния в дельте Северной Двины с заблаговременностью до 30 суток в зимний период при использовании данных по расходам реки на водпосту Усть-Пинега;

• приливного оперативного прогноза и приливного сверхдолгосрочного прогноза изменений хлорности, кислорода, величины рН, силикатов и фосфатного фосфора в эстуарии Пеши (Баренцево море) при использовании данных Таблиц приливов;

• проектного прогноза изменений содержания силикатов в водах дельты р.Печоры и объема их выноса в Печорскую губу в случае реализации проекта территориального перераспределения речного стока;

Эти примеры показывают возможность ведения прикладных прогнозных расчетов различной заблаговременности с помощью физико-статических методов для приливных устьев рек.

Методы моделей временного ряда. Подобньге методы учитывают либо наличие четко выраженной цикличности во временной изменчивости гидрохимических показателей, которая генерируется известными внешними циклообразующими факторами, например, приливными силами и солнечной активностью, либо закономерности статистической структуры временного ряда. Следует заметить, что моделям временного ряда для эквидистантных данных в научной литературе уделяется много внимания и они достаточно широко используются и при составлении морских гидрологических прогнозов.

Гидрохимические прогнозы с использованием рассматриваемого подхода должны опираться на уравнение следующего типа

Ст=А+В(1)хС, +Де), (4.5)

где А - эмпирическая константа, B(t)-эмпирическая функция, зависящая от времени, г- временной интервал, на котором прослеживается связь между и и который ассоциируется с заблаговременностью прогноза. Во многих случаях выражение (2.5) можно упростить до уравнения

С,+1=А + ВхС, +/(е), (4.6)

в котором и А и В являются эмпирическими константами, т.е. оно начинает соответствовать выражению (4.4), применяемому для физико-статистических методов прогнозирования. Уравнение (4.6), в частности, широко используется в гидрохимических исследованиях при определении тенденций (трендов) в многолетней изменчивости анализируемых показателей.

Для целей оперативного прогнозирования при использовании уравнения (4.5) необязательно применять весь спектр гармоник, т.к. часто возникает необходимость

учета только 1-3 доминирующих циклов, происхождение которых известно заранее. В подавляющем большинстве случаев целесообразно ограничиться исследованием полусуточных и суточных колебаний, при прогнозировании на срок более недели иногда необходимо учитывать и полумесячное неравенство приливов.

Наиболее простой вид прогнозирования в условиях Белого и Баренцева морей может быть реализован для предсказания экстремальных приливных концентраций гидрохимических показателей с заблаговременностью одни сутки. При этом устраняется влияние полусуточного неравенства приливов, а погрешностью, возникающей за счет игнорирования полумесячного неравенства приливов и действия других факторов, при решении многих практических задач можно пренебречь. По своей сути подобный прогноз является инерционным и опирается на модель, представленную уравнением (4.6), в котором С, -концентрация исследуемого показателя в ПВ+ и МВ+ ; - концентрация

исследуемого показателя в ПВ+ и МВ+ через сутки (т соответствует суточному приливному циклу); параметр А=0, а В =1. Он применим при наличии эпизодических измерений или коротких серий наблюдений (полусуточных, суточных) для ингредиентов с наличием большой разницы в "речных" и "морских" концентрациях. Для реализации в прогнозных целях уравнения (4.6), сначала необходимо определить автокорреляционную функцию, затем выбрать возможный интервал прогнозирования с учетом величины коэффициента корреляции и далее получить регрессионную модель для выбранной заблаговременности прогнозирования. Данный алгоритм расчетов продемонстрирован на приливном оперативном прогнозе изменений насыщения вод кислородом в Унской губе Белого моря. Оправдываемость прогноза кислородонасыщения вод Унской губы при использовании контрольной выборки данных составила 84,6 %. Таким образом, здесь можно успешно использовать авторегрессионные модель для прогнозной оценки насыщения кислородом морских и устьевых вод в вегетационный период.

Прогнозы на основе численной оценки трендов удобно использовать не только в отношении многолетней изменчивости гидрохимических показателей, но и для сезонов, длительность которых превышает 3 месяца. В диссертационной работе приведен пример успешного применения уравнения (4.6) для составления долгосрочного прогноза снижения концентраций кислорода в конце зимней межени в дельте Северной Двины. Уравнение было получено по данным наблюдений в 1993 и 1994 годах, а его проверка была проведена на данных 1999-2001 годов (табл. 4.1).

Полученные результаты указывают на приемлемость рекомендуемых прогнозных подходов, несмотря на их чрезмерную упрощенность, к решению практических задач, так как полученные ошибки не превысили значение Это

еще раз подтверждает тезис о перспективности прогнозирования гидрохимических характеристик устьев рек Баренц-региона, особенно в зимнюю межень с

привлечением гидрологических и гидрохимических наблюдений, проведенных в начале зимы.

Таблица 4.1

Результаты проверки расчетов содержания кислорода в водах дельты Северной Двины в конце зимней межени по данным наблюдений в январе

Период наблюдений Концентрации в январе, мг/л Концентрации в марте, мг/л Прогнозные концентрации, мг/л Ошибка прогноза, мг/л

Январь-март 1999 года 6.7 4.4 4.8 -0.4

Январь-март 2000 года 6.4 4.8 4.5 0.3

Январь-март 2001 года 5.3 3.4 3.4 0

Следует заметить, что методы моделей временного ряда имеют большие перспективы для прогнозирования ингредиентов, позволяющих автоматизировать процесс их измерений. При наличии значительного радиуса автокорреляции такой подход дает возможность оперативно получать необходимую информацию без привлечения (после стадии разработки модели) специалистов по прогнозированию гидрохимических условий приливных устьев рек.

Гидродинамическиеметоды Наличие большого массива натурных гидрохимических данных позволяет эффективно решать подавляющее большинство водохозяйственных задач для устьев рек приливного моря. К сожалению, подобная информация для многих устьевых систем, особенно для малых и средних рек Российской Федерации, отсутствует или представлена отдельными фрагментами. Альтернативой эмпирическому подходу в некоторых ситуациях могут быть методы математического моделирования, базирующиеся на гидродинамических уравнениях переноса (разбавления) примеси. Их также целесообразно применять для оценки последствий антропогенного вмешательства в русловые процессы и аварийных сбросов загрязняющих веществ в устьевых объекты.

Для расчетов распределения какого-либо ингредиента в устьевых водах наиболее часто используется уравнение адвективно-турбулентного переноса примеси. В наиболее общем виде оно имеет форму

дС!а = идС/ди + УдС!ду -д/дс(КхдС/Зс) -

-д1д?(КудС1ду) - д/ск(КгдС1&) +F+^>, (4.7)

которой ^ - временная координата; х, у и z - пространственные координаты в 3-х мерном измерении, и, Vи Ж- составляющие скорости течения по направлениям х, у и г; Кх КуИК: - коэффициенты турбулентной диффузии для направлений х, у и Р

- функция источников; Р - функция потерь, учитывающая неконсервативность поведения исследуемой субстанции за счет процессов деструкции, сорбции, биопоглощения и т.п. Подробности, связанные с обоснованием применения уравнения (4.7) можно найти в многочисленной литературе, посвященной турбулентному переносу вещества в водных объектах. Здесь необходимо отметить наличие ограничений на использование рассматриваемого уравнения для имитации реального переноса различных веществ в водных объектах. Считается, что это возможно лишь при наличии 2-х сильно удаленных друг от друга энергонасыщенных зон в спектре течений. В приливных устьях рек спектр течений часто не согласуется с вышеупомянутым условием, и их осредненная скорость сильно флюктуирует и является смещенной оценкой. Однако в большинстве случаев подобное требование просто игнорируется.

Наибольший опыт использования, особенно при решении прикладных задач, получен для одномерных моделей переноса примеси. Этому во многом способствовала возможность применения аналитических решений и упрощенная процедура определения характеристик адвекции и дисперсии. Подобная модель для концентраций консервативной субстанции, осредненных по поперечному сечению водотока, имеет следующий вид

¿(АС)/ Л = с(АСЩ/ дх + д(АВ дС/дх)/ дх, (4.8)

где А - площадь поперечного сечения водотока; - скорость потока, осредненная по A; D - коэффициент дисперсии (эффективный коэффициент продольного рассеивания).

Уравнения (4.7)-(4.8) при формальном подходе нетрудно решить численными методами, однако достоверная оценка изменяющихся во времени и пространстве параметров гидродинамических параметров вызывает весьма большие сложности. При возрастании мерности модели численная реализация также в значительной мере затрудняется появлениями эффектов искусственной адвекции и диффузии. Для нестационарных уравнений турбулентного переноса примеси в приложении к устьевым областям рек приливных морей отсутствуют универсальные схемы численных и аналитических расчетов. Это связано с большой неоднородностью гидрофизических и геоморфологических условий в различных устьях рек, во многом зависящих от величины прилива. Обычно моделирование производится с тем или иными допущениями, позволяющими упростить процесс вычисления необходимых показателей. Но характер подобных допущений лимитируется природными условиями конкретного водного объекта.

В наиболее упрощенной форме одномерное уравнение переноса примеси для осредненных за приливной цикл условий или за более длительный период приобретает следующий вид

<Ю<к = ОС/АО, (4.9)

где Q - осредненный расход воды, обычно ассоциируемый с речным расходом. Его решение прямым образом не зависит от геоморфологии устьевого водотока и каких-

либо допущений, кроме наличия квазистационарности в распределении исследуемого показателя. Воздействие приливных явлений на результаты вычислений по уравнению (4.9) идет через величину Д и способ ее параметризации. Отметим, что для различных устьев рек приливных морей параметр Д может меняться в очень широком диапазоне - от нескольких единиц до нескольких сотен м2/с.

При возрастании величины прилива (скорости приливных течений) коэффициент продольного рассеивания начинает увеличиваться. С учетом суточного и полумесячного неравенства приливов получаем, что уравнение (4.9), строго говоря, не приобретает стационарность при осреднении за полусуточный (суточный) цикл в масштабах приливной и синоптической изменчивости. Ситуация также усугубляется тем фактом, что на величину 0 , особенно в эстуариях с макроприливными условиями, значительное влияние могут оказывать так называемые остаточные приливные течение, связанные с нелинейным характером распространения приливов на мелководье. С другой стороны, использование уравнения (4.9) при осреднении за сезон и более длительные периоды становится вполне корректным, устраняя влияние вышеотмеченных эффектов, а также требования к упрощенной 2-х пиковой структуре спектра эстуарных течений.

Значение коэффициента продольного рассеивания при известных вдольэстуарных профилях солености можно определить эмпирическим путем при использовании разностного аналога уравнения (4.9)

А = 2М£/Л (4.10)

в котором Ах - пространственный отрезок в устьевом водотоке на концах которого замерены концентрации солености, осредненные за приливной цикл (5Х и Sj.ii,).

Основным недостатком определения Д по формуле (4.10) является использование в качестве параметра 0 расчетной величины расхода реки, т.к. непосредственно в зоне действия приливов, речные расходы, как правило, не измеряются. Кроме этого, как уже отмечалось выше, в мелководных мезо- и макроприливных эстуариях величина расхода может отличаться от речного стока за счет нелинейных гидродинамических эффектов (приливной накачки). Учесть подобное влияние для конкретного устья реки можно через соответствующий анализ и обобщение результатов натурных экспериментов для различных величин прилива и речных расходов.

Для любой устьевой системы, очевидно, будет эффективным введение в регрессионные формулы для расчета Д величины прилива или других параметров, от нее зависящих. В этом случае ошибка из-за игнорирования приливных эффектов будет компенсироваться учетом изменений величины прилива и связанных с ней нелинейных эффектов. Например, специализированные исследования для устьев малых и средних рек юго-востока Баренцева моря, показали, что коэффициент продольной дисперсии можно аппроксимировать следующим уравнением

£> = Н(п О/А + тИ), (4.11)

в котором и и т- эмпирические константы, Н - средняя глубина водотока, h -величина прилива. При отсутствии возможности эмпирическим путем получить значения коэффициента продольного рассеивания приходится применять полуэмпирические методы.

Другим подходом, позволяющим избавиться от осложнений, связанных с достоверной оценкой параметров адвекции и дисперсии, может служить применение числа Пекле. Данный параметр в теории турбулентности является безразмерным параметром, характеризующим соотношение процессов адвекции и диффузии. Тогда, преобразуя (4.9), буцем иметь следующее уравнение

С = С0ехр(^/р<Ь), (4.12)

в котором Со - граничная концентрация исследуемого показателя при х = 0, а эмпирический параметр р представляет собой число Пекле, приходящееся на единицу длины эстуария. Он рассчитывается на основе наблюдений за распределением за соленостью по формуле и не требует учета Q

р = - ад- Хщ), (4.13)

где i - номер узла на оси эстуария, разделенной на равные отрезки. Исследования показывают, что изменения р вдоль приливного эстуария более сглажены по сравнению с изменениями D, что позволяет во многих случаях получать аналитическое решение для уравнения.

Как видно из большинства вышеприведенных формул, успешное использование гидродинамических моделей сильно осложняется необходимостью знать довольно большой объем информации о гидрологических и гидравлических характеристиках устьевого водотока. Во многих случаях их измерения и расчеты (математическое моделирование) осуществлять еще труднее, чем соответствующие гидрохимические исследования. Использование тех или иных допущений для упрощения уравнений турбулентного переноса примеси часто бывает уязвимо для обоснованной критики. И, наконец, необходимо помнить о физических ограничениях, накладываемых на эффективное использование уравнений переноса примесей в различных масштабах пространственно-временной изменчивости. На подобные ограничения формально можно не обращать внимания, если решения уравнений адвективно-дисперсионного переноса примеси рассматривать как своего рода регрессионные модели с гидродинамическим обоснованием управляющих параметров. В данном случае их эффективность не зависимо от формы, в конечном счете, определяется коэффициентами корреляции и функцией распределения регрессионных остатков. Но при этом необходимо четко указывать пространственные и временные масштабы прикладной применимости подобных моделей.

В диссертационной работе в качестве примера возможности прикладного использования уравнения (4.8) приведены результаты исследований пространственно - временной изменчивости распределения хлорности в эстуарии реки Пеши в Чешской губе Баренцева моря. Определение вдольэстуарных профилей хлорности для конкретных месяцев осуществлялось численным методом, а ее приливные изменения в конкретный день - по аналитической модели. Следует отметить, что аналитическая модель короткопериодных колебаний хлорности давала хорошее соответствие натурным измерениям лишь в пределах одного приливного цикла, а ее использование для последующего цикла существенно теряло свою эффективность из-за наличия суточного неравенства в изменениях скорости приливного течения. Для оценки достоверности сезонной изменчивости хлорности для створа поселок Белушье, полученной по гидродинамической модели, был произведен расчет по регрессионной модели, отражающей связь исследуемого параметра с колебаниями расходов речного стока. Полученные результаты указывают на удовлетворительное в целом совпадение концентраций, полученных различными методами.

Кроме моделей, базирующихся на уравнении (4.7) имеются и другие методические приемы описания процесса переноса примеси в водном объекте. Возможно, например, использование "телеграфного" уравнения переноса примеси, метода Монте-Карло, наиболее часто применяемого для оценки поведения загрязняющих веществ в аварийных ситуациях. Но в приложении к приливным устьям рек такие подходы не получили широкого распространения, хотя имеются отдельные попытки их прикладного использования.

Возможности гидродинамического метода прогнозирования в диссертационной работе продемонстрированы на расчетах дальности осолонения вод в устье реки Черной в Печорской губе Баренцева моря (проектный прогноз).

Балансовыеметоды

Балансовые методы ранее широко применялись при моделировании качества вод приливных устьев рек, но в дальнейшем они были в значительной мере потеснены моделями, использующими уравнения адвективно-дисперсионного переноса примеси. В уравнениях баланса процессы адвекции и диффузии (дисперсии) сведены к единому процессу смешения разнородных водных масс.

В наиболее общем виде балансовое уравнение изменчивости исследуемого вещества для устьевого объекта или его отдельного участка имеет следующий вид

dC/dt = (EQnp-ZQpa:)/V, (4.14)

где - приходные составляющие баланса исследуемого вещества; расходные составляющие баланса исследуемого вещества; V - водный объем изучаемого объекта. При различного рода допущениях для уравнения (4.14) можно получить ряд аналитических решений, но их использование для исследований

гидрохимических условий приливных устьев рек весьма ограничено из-за их гидродинамической специфики.

Из балансового уравнения несложно получить формулу отражающую, зависимость исследуемого ингредиента от солености. В данном случае для консервативного показателя получаем следующее выражение

сх = с/й - - V + с* № - - (4.15)

в которой индекс означает принадлежность к речной границе зоны смешения речных и морских вод, а индекс м - к ее морской границе.

Для приливных устьев рек имеются модифицированные варианты использования уравнения (4.14), учитывающие приливные колебания водного объема устьевых вод. Наиболее простым из них является так называемый метод приливной призмы. Для его реализации эстуарий разбивают на секции длиной, равной среднему пути приливной подвижки вод. При этом полагается, что объем воды, содержащийся в каждой секции во время малой воды, накапливается в соседней секции выше по течению во время полной воды. При полном приливном перемешивании внутри секции приливной призмы предполагается, что часть среднего объема воды удаляется из секции при отливе. Если известны начальное распределение исследуемого показателя, величина прилива и геоморфологические параметры устьевого водотока, то не сложно найти продольное распределение изучаемого показателя при изменениях водного объема в различных секциях.

Балансовые модели могут давать приемлемые инженерные решения, хотя они базируются на менее строгой параметризации процессов разбавления по сравнению моделями, основанными на уравнении адвекции - дисперсии. Но их сравнение даже с очень упрощенными вариантами одномерного уравнения турбулентного переноса примеси не выявляет каких - либо преимуществ.

Данные по солености, используемые для оценки коэффициентов водообмена между отдельными сегментами в балансовом уравнении, более эффективно могут быть привлечены для вычисления коэффициентов дисперсии или разработки регрессионной модели.

Для составления проектных и "режимных" прогнозов из балансовых уравнение можно применять уравнение (4.15), т.к. для многих рек известны морские и речные значения исследуемых ингредиентов и распределение солености в зоне смешения речных и морских вод, включая отдельные моменты приливных циклов. В диссертационной работе приведен пример подготовки "режимного" прогноза по содержанию тяжелых металлов в Сухом Море (устьевое взморье Северной Двины) с помощью данного уравнения для оценки возможности организации в нем форелевого марихозяйства.

Анализ результатов проведенных исследований позволяет рекомендовать для прогнозирования гидрохимических характеристик приливных устьев рек, в первую очередь, эмпирические методы, базирующиеся на одномерном регрессионном

уравнении. Отметим, что аналитические решения гидродинамических и балансовых уравнений также можно трансформировать в одномерную регрессионную модель.

Глава 5. Использование расчетных методов для оценки химического состава приливных устьев рек при решении прикладных задач.

В этой главе предлагаются оптимальные подходы с использованием расчетных схем для выбора мест расположения водозаборов, сбросов сточных вод, разработки нормативов ПДС, оценки влияния гидротехнических сооружений, определения гидрохимических последствий аварий и для решения задач промысловой океанологии в приложении к приливным устьям рек.

Выбор (створа) точки забора воды для питьевых, коммунальных, технических и иных нужд в приливном устье реки должен производиться на основе анализа пространственно-временного распределения качества устьевых вод. Базовой информационной основой для такого анализа могут служить сведения о пространственном распределении среднеарифметического значения (или его робастного аналога) и экстремальных величин для каждого календарного месяца или сезона. Подобные сведения можно получить с использованием различных методических подходов, при этом выбор оптимального метода зависит от характера и объема имеющейся и необходимой информации, а также природных условий изучаемого устьевого объекта. Под оптимизацией в данной ситуации мы понимаем компромиссное решение между стремлением получить как можно более детализированный объем необходимых сведений и необходимостью минимизации затрат на проведение исследований.

В диссертационной работе даются рекомендации по проведению расчетов и организации специализированных наблюдений для получения гидрохимической информации, необходимой для выбора местоположения водозабора устьевых вод в зависимости от характера и объема имеющихся сведений (наблюдений). Все расчеты режимных характеристик и полевые исследования ведутся с учетом приливных явлений. Приведен пример таких расчетов для эстуария Индиги в Баренцевом море.

В Российской Федерации сброс промышленных, коммунальных, ливневых и других стоков в водные объекты регулируется нормативами предельно допустимого сброса загрязняющих веществ (ЗВ) со сточными водами ПДС. Этот норматив определяется по следующей формуле:

ПДС = дСПдс > (5.1)

в которой q - максимальный часовой расход сточных вод; Спдс - предельно допустимая концентрация ЗВ в сточных водах, рассчитываемая по формуле:

Спдс - и (Сщк -Сф) + Сф, (5.2)

где Сщк - предельно допустимая концентрация ЗВ для речных вод; Сф - фоновая концентрация ЗВ в водотоке выше створа выпуска сточных вод; п - кратность

общего разбавления сточных вод в водотоке (водоеме), равная произведению кратности начального разбавления п, и кратности основного разбавления п0

Расчеты параметра п принято проводить в соответствии с требованиями методического пособия ВНИИВО (Харьков, 1990), которое не принимает во внимание особенности рассеивания сточных вод в устьях рек приливного моря. В нем рассматриваются схемы определения нормативов ПДС для чисто речных водотоков, морей и озер (водохранилищ) без какого-либо упоминания устьев рек и приливных явлений. Рекомендуемые расчетные схемы для определения нормативов ПДС в речных водотоках и морских водоемах фактически не пригодны для устьев рек приливного моря из-за специфики гидродинамических условий в подобных водных объектах.

Учитывая, что нормативы ПДС в подавляющем большинстве случаев разрабатываются для действующих выпусков сточных вод, в диссертации рекомендуется применение эмпирического подхода, который эффективен для любого устьевого объекта, и практически не требует привлечения гидрологических и геоморфологических данных.

Этот эмпирический метод основывается на структурном анализе уравнения (5.2). Если отвлечься от процедуры нормирования, то в данном уравнении Сщс будет представлять концентрацию ЗВ (С^ в сточных водах, а Спдк - концентрацию ЗВ на контрольном створе которая зависит от уровня загрязнения

сбрасываемых стоков и условий их разбавления. Тогда (5.2) преобразуется в следующее выражение

Са = п(С,-Сф) + Сф. (5.3)

Из формулы (5.3) для квазисинхронных измерений можно получить, что

" =(Са-Сф)/(Сх-Сф), (5.4)

Определение параметра п необходимо проводить по измерениям, проведенным в наиболее неблагоприятный период разбавления сточных вод, т.е. в межень в периоды близкие к малой воде для нижерасположенного контрольного створа. При возникновении необходимости также проводятся наблюдения в полную воду на дополнительном контрольном створе, удаленном от точки сброса сточных вод на расстоянии 250 м вверх по водотоку. Исследования по оценке степени разбавления сточных вод необходимо проводить для малых вод квадратурного и сизигийного приливов.

При наличии вблизи исследуемого места сброса сточных вод других источников загрязнения определенную сложность может вызвать корректный выбор местоположения фоновых створов. Данную проблему можно решить, если совместно учитывать эффект гидродинамического разбавления загрязненных стоков и влияние степени чистоты эстуарных вод, участвующих в данном процессе. Для этой цели уравнение (5.2) преобразуем в следующее выражение

с, = Сф(1-1/п) + Сп/и . (5.5)

Его, в свою очередь, легко трансформировать в одномерное уравнение линейное регрессии, отражающее зависимость состояния эстуарных вод на контрольном створе от загрязнения сточных вод. При необходимости выражение (5.5) можно дополнить функцией, учитывающей погрешность расчетов. Определив вид регрессионного уравнения для наиболее неблагоприятных гидрологических условий и используя затем легко найти без использования информации по

Сф и п-

Рассматриваемый подход также очень удобно использовать при наличии многолетних наблюдений за загрязнением сточных вод конкретного предприятия и устьевых вод на контрольном створе ниже выпуска его стоков. Из всего массива гидрохимических наблюдений необходимо выбрать результаты, соответствующие наблюдениям в малую воду приливного цикла в маловодные меженные периоды, и на их основе параметризовать регрессионную модель.

В диссертационной работе приведен пример подобного расчета нормативов ПДС для сброса стоков Соломбальского ЦБК в дельту Северной Двины.

Гидротехническое строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений могут оказывать разнообразное воздействие на экосистемы приливных устьев рек. Спецификой такого воздействия является возможность изменения химического состава зоны смешения пресных и соленых вод при работе промышленных сооружений, удаленных на значительные расстояния от устьевых объектов. Классическим примером такой ситуации является наличие на верхнем и среднем отрезках реки водохранилища или каскада водохранилищ, влекущее за собой техногенное перераспределение ее стока в течение сезона и года в целом. С другой стороны, в качестве фактора подобного воздействия может выступить приливная плотина, расположенная в море на удалении нескольких десятков километров от эстуарной зоны. Непосредственно в устье реки часто располагаются различные гидротехнические объекты, способные оказать локальное и даже более масштабное влияние на качество устьевых вод.

Если не учитывать в качестве гидротехнических сооружений водозаборы и выпуски сточных вод, то по характеру воздействия рассматриваемые объекты можно условно подразделить на 3 следующие группы: сооружения, меняющие режим речного стока; сооружения, меняющие режим притока морских вод в устьевую область реки или меняющие величину и характер приливов; сооружения, меняющие структуру течений, геоморфологию дна и береговой черты на локальном участке устьевой области реки.

К первой группе сооружений относятся водохранилища, водораспределительные узлы и иные объекты подобного рода, ко второй группе -приливные плотины и дамбы. Третья группа сооружений охватывает довольно широкий круг разнообразных объектов. К ним, например, относятся углубляемые судоходные каналы и стоянки судов, причалы, гавани, буровые платформы, искусственные острова, садковые марихозяйства, мосты, волноломы, техногенные

заливы (ковши, бассейны и т.п.). Сюда же можно условно включить места отстоя плотов и списанных судов.

Воздействие регулирования и безвозвратного отъема части речного стока на химический состав зоны смешения речных вод и вод приливного моря несложно оценить с помощью регрессионной модели. Она позволяет оценивать количественные характеристики гидрохимических параметров при любых изменениях расходов реки, в том числе при их антропогенном регулировании. При подобного рода исследованиях очень часто возникает задача определения критической величины отъема речного стока, после которой качество эстуарных вод может начать быстро изменяться, в том числе, в негативную сторону. Для ее решения регрессионные уравнения из линейных форм следует преобразовать в нелинейные формы, которые в графическом виде дают возможность легко отыскать искомую величину расхода.

Для действующих гидротехнических сооружений в приливных устьях рек иногда возникает задача определить их негативное воздействие на устьевые экосистемы, которое сложно оценить прямым путем. Для решения этой задачи предлагается использовать эмпирический мониторинговый метод, который базируется на сравнении результатов наблюдений за качеством эстуарных вод на участке исследуемого воздействия и на эталонном участке с аналогичными природными условиями, но без наличия такого воздействия, в течение одного или нескольких приливных циклов. В перечень исследуемых показателей помимо гидрохимических параметров обязательно необходимо включать измерения колебаний уровня воды.

Далее результаты наблюдений на фоновом и контрольном участках необходимо подвергнуть сравнительному анализу. Можно ограничиться простым сравнением экстремальных значений, но целесообразнее использовать расчетный статистический подход, охватывающий все полученные величины. Для этой цели, учитывая малый размер используемых выборок рекомендуется применять оценку Ходжеса-Лемана, относящуюся к робастным статистикам. В итоге, можно говорить либо о наличии однородных гидрохимических условий на контрольном и фоновом участках, либо о присутствии техногенного воздействия гидротехнического объекта на качество устьевых вод.

В качестве примера прикладного использования эмпирического мониторингового метода в диссертации приведен пример по оценке воздействия форелевого марихозяйства в Унской губе Белого моря на изменения насыщения ее вод кислородом. Эти изменения, в частности, отражают процессы продукции и деструкции органического вещества в морской экосистеме.

Расчеты распространения в устьевых системах больших количеств загрязняющих веществ (ЗВ) при их аварийном сбросе характеризуются значительной сложностью. Особенно это касается исследований миграции нефти и

нефтепродуктов, поведение которых сильно отличается от процесса рассеивания растворимых форм ЗВ.

Для решения данной проблемы предлагается применять набор упрощенных моделей адвективно-диффузионного переноса примесей различного типа и далее подвергать анализу полученные результаты с целью выбора наиболее правдоподобного решения. Для протяженных устьевых водотоков (длина десятки километров и более) успешным может быть использование методов моделирования, разработанных для рек.

Альтернативой применению уравнения турбулентной диффузии, а также другим подобным методам, может служить эмпирический подход, разработанный в Государственном океанографическом институте. Он позволяет получать прогнозные оценки с помощью специализированных натурных экспериментов с помощью трассеров (поплавков) для водных объектов даже с очень сложными гидродинамическими условиями для различных временных интервалов. В диссертации приводится схема его реализации применительно к условиям приливных устьев рек. Она значительно облегчается при использовании портативных спутниковых систем определения координат отслеживаемых поплавков.

В диссертации также рассматриваются возможности использования гидрохимических прогнозов для определения характера перераспределения промысловых видов рыб в устьях рек приливных морей. Лимитирующими гидрохимическими параметрами здесь могут служить минерализация (соленость), кислород, сероводород, и величина рН и высокие концентрации ЗВ. Ярким примером в этой области служат заморы, спровоцированные глубоким дефицитом кислорода вплоть до появления сероводорода и часто сопровождающиеся гибелью рыбы или ее пространственным перераспределением в пределах устьевого объекта.

Воздействие лимитирующих гидрохимических факторов на различные виды рыб зоны смешения пресных и соленых вод имеет свою специфику. Его в общем случае можно свести к двум следующим эффектам - к перераспределению рыбы в пределах устьевой области реки и смежных районов реки (озера) и моря, также к гибели рыбы (икры, личинок) на отдельных участках устья реки. Перераспределение рыбы в устье реки может, как улучшить, так и ухудшить условия промысла. Оптимальным вариантом для ее вылова служит скопление большого количества рыбы на локальном участке, где располагается один из традиционных участков прибрежного промысла. Наиболее негативным явлением с промысловой точки зрения можно считать уход рыбы со всех участков ее организованной добычи. В экологическом отношении это будет массовая гибель рыбы (взрослых особей, икры и личинок).

Для решения задач промысловой океанологии рекомендуется разработка моделей, использующих наличие связей для асинхронных гидрологических и гидрохимических наблюдений. В рамках одного сезона этот подход может оказаться

достаточно эффективным. Другими словами, следует ориентироваться на преминение модели следующего вида

С,+л--А+ВхР,+/(е), (5.6)

в котором С,- значение лимитирующего гидрохимического показателя на участке промысла (нереста) рыбы в момент - значение "управляющего"

(гидрологического) параметра в момент - временной лаг (период прогноза) соответствующий интервалу времени между наблюдениями за изменчивостью С и Р. При отсутствии гидрологических наблюдений на исследуемом водотоке можно использовать наблюдения на других реках региона с аналогичными условиями формирования стока и других гидрологических процессов.

Глава б. Научно-методические аспекты организации и функционирования гидрохимического мониторинга в устьяхрек приливных морей.

Цель мониторинга применительно к рамкам конкретного природного объекта с наличием или отсутствием антропогенной деятельности заключается в создании информационной базы, позволяющей осуществлять комплекс различных мероприятий, связанных с охраной и рациональным использованием ресурсов данного объекта. С его помощью можно отслеживать существующие и возникающие процессы с негативными последствиями и, на этой основе, прогнозироваться их развитие.

Мониторинг в целом должен быть ориентирован на применение расчетных методов, позволяющих получить наибольшую эффективность при решении поставленных задач. Это можно реализовать только при надлежащем учете специфики естественных и антропогенных процессов, происходящих на контролируемом природном объекте. Другими словами мониторинговые наблюдения, анализ полученных результатов, составление прогноза и получение необходимых оценок для выработки управленческих решений должны быть адаптированы к пространственно-временным масштабам контролируемых процессов.

Другим важным аспектом рассматриваемой проблемы является финансовое обеспечение мониторинговых работ. В конечном счете, нахождение оптимального компромисса между информационными и финансовыми аспектами реализации мониторинга выливается в довольно сложную задачу. Ее успешное решение во многом зависит от выбора расчетных алгоритмов, дающих возможность с помощью ограниченного количества наблюдений получить необходимые сведения.

Существующие нормативно-методические документы, на основе которых осуществляется мониторинг состояния водной среды при водопотреблении, водоотведении и оценке фонового состояния поверхностных вод очень формально подходят к организации мониторинговых наблюдений. Как показывает анализ таких документов, они совершенно не учитывают специфику природных процессов в устьях рек приливного моря. В диссертационной работе показано, что

стандартный подход к мониторингу качества вод устьев рек приливного моря с учетом требований действующих нормативно-методических документов не может обеспечить получение необходимой информации. При его реализации игнорируются полусуточные (суточные) и полумесячные приливные колебания гидрохимического состава эстуарных вод. При случайном выборе времени наблюдений здесь можно получить любой набор ситуаций - от благополучной в экологическом отношении обстановки до наличия опасного химического загрязнения исследуемых вод.

Расположение мониторинговых пунктов наблюдений в устьях рек в присутствии приливных течений также требует учета специфики рассматриваемых водных объектов. Если контрольный пункт действительно следует располагать ниже источника загрязнения, ориентируясь на перенос устьевых вод с речной составляющей суммарного течения, то выбор фонового пункта отбора проб является весьма нетривиальной задачей. Его расположение на удалении 1 км вверх по водотоку от техногенного объекта согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 при наличии течений, переносящих в фазу прилива устьевые воды на несколько километров, приведет к попаданию фонового пункта в зону загрязнения. Наиболее корректным, по-видимому, будет расположение фонового пункта на незагрязненном участке устьевого объекта, где соленость (минерализация) вод совпадает с таковой на контрольном створе, хотя возможны и другие подходы.

Организацию мониторинга состояния вод приливного устья реки в концептуальном отношении можно осуществлять в 2-х направлениях. Во-первых, это адаптация рекомендаций существующих нормативно-методических документов к специфике природных условий рассматриваемых водных объектов. Во-вторых, разработка программы мониторинга, позволяющей получать достоверные прогнозные оценки, т.е. разработка под конкретную математическую модель изменчивости характеристик химического состава устьевых вод.

При определении характеристик исследуемого параметра в объектах с циклично изменяющимися природными условиями согласно правилу "Найквиста" отбор проб воды необходимо производить с дискретностью, не превышающей половину отслеживаемого цикла. Таким образом, если не иметь в виду сезонные явления, то для учета полусуточных приливов необходимо вести отбор проб воды с дискретностью 6 часов и менее, для учета сизигийно-квадратурной изменчивости -1 раз в неделю и чаще. Для морей с суточным приливом будем иметь дискретность отбора проб соответственно - 12 часов и менее, 1 раз в 2 недели и чаще.

Из уравнений адвективно-диффузионного переноса примеси вытекает, что для приливного устья реки экстремальные концентрации веществ в фиксированной точке на оси приливного течения будут отмечаться в моменты смены его направления (МВ+ и ПВ+). Это хорошо подтверждается натурными наблюдениями за различными гидрохимическими показателями, производимыми с дискретностью 30 минут и менее. Во многих, устьевых объектах смена течений запаздывает по отношению к моментам наступления экстремальных отметок уровня на 0.5 -1 час, а

иногда и более. Не учет подобного явления может привести к существенному занижению концентраций загрязняющих веществ при отборе проб воды в малую воду (МВ) ниже выпуска загрязненных стоков, что часто практикуется при исследованиях качества вод приливных устьев рек. Поэтому отбор проб необходимо осуществлять в момент стояния воды или поворота направления течения на створе наблюдений после наступления МВ или ПВ, что обычно легко фиксируется визуально.

Предложения по срокам и местам мониторинговых наблюдений для рассматриваемых водных объектов с полусуточным типом приливов приведены в таблице 6.1. При этом для зоны смешения речных и морских вод условно считаем, что при смене отлива на прилив пункт ниже по течению от техногенного источника является контрольным, а пункт выше по течению - фоновым. При смене прилива на отлив эти пункты меняются ролями. Учащенные наблюдения на участках, имеющих важное хозяйственное и экологическое значение, необходимы для определения времени существования сверхнормативных концентраций, определяющего степень негативного воздействия.

Сроки отбора проб воды, предлагаемые нормативными существующими документами, обладают двумя существенными недостатками - получаемые для них данные не приспособлены для работы с какой-либо конкретной моделью прогнозных расчетов и игнорируют специфику отдельных видов водопользования. Учитывая ориентацию систем мониторинга на выявление, в первую очередь, временной изменчивости исследуемых показателей логично предположить, что наиболее подходящими для получения прогнозов будут модели временного ряда. Основным условием их успешной реализации является временная эквидистантность наблюдений и охват всех доминирующих колебаний в изменчивости исследуемого показателя. Для устьев рек моря с полусуточным типом прилива в данной ситуации необходимо проводить наблюдения каждые сутки с дискретностью 6 часов. Подобная система наблюдений получается весьма громоздкой и дорогостоящей, хотя для отдельных показателей при заборе воды на технологические или питьевые нужды она может быть реализована.

Таблица 6.1

Рекомендуемые сроки и места отбора проб воды при организации мониторинга качества вод устьев рек приливного моря

Задача мониторинга Место отбора проб Сроки отбора проб

Контроль качества воды на водозаборе Водозаборное сооружение 2 раза (в МВ+ и ПВ+) в сутки, дата которых предусмотрена схемой технологического контроля химического состава

забираемых вод

Контроль источников источников загрязнения в зоне смешения речных и морских вод 2 створа (пункта): 250 м выше и 250 м ниже контролируемого источника 2 раза (в МВ+ и ПВ+) в сутки при сизигийном приливе в периоды, предусмотренные ГОСТ 17.1.3.07-82

Контроль источников источников загрязнения вне зоны осолонения устьевых вод 2 створа (пункта): и 500 м ниже (контроль) и 1000 м выше (фон) 1 раз (в МВ+) в сутки при среднем приливе в периоды, предусмотренные ГОСТ 17.1.3.07-82

Контроль качества воды на участке, имеющем важное хозяйственное и экологическое значение 1 створ (пункт), расположенный по середине участка 7 раз в приливной цикл с дискретностью не менее 2-х часов в периоды, предусмотренные ГОСТ 17.1.3.07-82

Количество наблюдений можно значительно уменьшить, если временной ряд формировать не из "текущих" значений, а из концентраций, отвечающих определенному моменту приливного цикла. Тогда, в зависимости от преследуемой цели, наблюдения могут включать в себя только отбор проб в МВ+ или ПВ+ 4 раза каждый месяц. Возможно и дальнейшее ограничение в данном отношении при привязке наблюдений только к сизигии, как периоду проявления приливных экстремумов. В итоге получаем отбор проб в МВ+ или ПВ+ 2 раза каждый месяц в периоды сизигийных приливов. Подобная схема становится уже более приемлемой для прикладного мониторинга устьевых вод.

Дальнейшее уменьшение частоты наблюдений возможно осуществить, если для формирования (восстановления) временного ряда воспользоваться регрессионными моделями на базе связей исследуемого ингредиента с колебаниями речного стока и уровня воды. При этом подразумевается наличие на рассматриваемом устьевом объекте ежедневных наблюдений за речным стоком и ежечасных за уровнем воды. Отбор проб воды в данной ситуации можно с различной частотой проводить в разные сезоны при обязательной их привязке к конкретному моменту приливного цикла. Подобные наблюдения, к сожалению, в мировой практике эстуарных исследований отсутствуют, но они, несомненно, имеют хорошую перспективу.

Следует заметить, что для мониторинга устьевой системы в целом без привязки к конкретным техногенным и охраняемым природным объектам створ наблюдений целесообразно расположить на участке локализации фронтального раздела между речными и морскими водами. Здесь ежемесячные (сезонные) наблюдения в течение приливного цикла в сизигию с дискретностью 1-2 часа позволят давать информацию о приливных гидрохимических эллипсах и о связи солености с другими ингредиентами. Таким образом, появляется возможность при минимуме наблюдений получать необходимые данные о разномасштабной

пространственно-временной изменчивости гидрохимических параметров в пределах зоны смешения речных и морских вод.

Применение для таких данных регрессионной модели резко расширяет прикладную отдачу мониторинговых наблюдений. В качестве примера на рис. 5.1 продемонстрирована эффективность подобного подхода к исследованиям кремния в эстуарии реки Индиги в Баренцевом море.

а) б)

Рис. 5.1. График связи силикатов и солености в эстуарии р.Индиги по данным полусуточных наблюдений на поверхностном горизонте на створе п. Индига (а) и съемки всего эстуария (б) 27-28 сентября 1981 года

Заключение.

Настоящая работа посвящена решению очень сложной комплексной проблемы, охватывающей широкий круг вопросов из различных областей науки -гидрохимии, водохозяйственных исследований, океанологии, гидрологии суши, гидродинамики и прикладной математики. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Показано, что приливные явления генерируют специфические эффекты в гидрохимическом режиме устьевых вод, в том числе, не отмечающиеся на других водных объектах. Это, в первую очередь, связано с соответствующей периодичностью колебаний уровня воды, скоростей и направлений течений, литодинамических процессов, деформацией ледового покрова, изменений водных объемов и наличием приливных осушек.

2. Установлено, что для гидрохимических характеристик приливных устьев рек, как показали исследования на Белом и Баренцевом морях, типична большая пространственно-временная изменчивость, особенно на участках локализации фронтальных разделов между речными и морскими водами. Их колебания во времени имеют сложный спектр, обусловленный наложением разнопериодных циклов природного происхождения при преимущественном доминировании

основных приливных гармоник в рамках определенного сезона. Амплитуда подобных колебаний может на порядок превышать их аналогичные изменения в чисто речных и морских водах.

3. Показано, что техногенное воздействие может усиливать или ослаблять приливную изменчивость параметров химического состава устьевых вод в зависимости от расположения его источника по отношению к фронтальной зоне между речными и морскими водами.

4. Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными колебаниями уровня воды в устьях рек при наличии их пространственного градиента.

5. Для оценки режимных (фоновых) гидрохимических параметров в приливных устьях рек, учитывая преобладание коротких временных рядов, целесообразно использовать такие робастные оценки, как медиану и трехсреднее значение в качестве оценки центра положения, и интерквартильный размах в качестве оценки масштаба изменчивости. При этом концентрации, соответствующие моментам малой и полной вод приливного цикла, можно в первом приближении оценивать по диапазонам значений, заключенных между квартилями и экстремальными значениями.

6. Для гидрохимических прогнозов в условиях устьев рек предлагается классификация и методология, базирующаяся на принципах составления морских гидрологических прогнозов при учете опыта прогнозирования качества речных вод и специфики практического использования гидрохимической информации.

7. При гидрохимическом прогнозировании наиболее предпочтительно использовать физико-статистические методы и методы моделей временного ряда. Наиболее удачные прогнозы получаются для показателей имеющих большие различия в концентрациях для речных (иногда сточных) и морских вод, и высокую точность аналитического определения. В условиях Белого и Баренцева морей к ним, в частности, относятся соленость (минерализация), главные ионы, кислородонасыщение, величина рН и кремний.

8. Показано, что для расчета режимных и прогнозных характеристик в приложении к гидрохимии приливных устьев рек наиболее подходит одномерное линейное регрессионное уравнение, учитывающее возможную погрешность расчетов и допускающее различные версии робастного подхода. В форму такого уравнения можно свести упрощенные варианты уравнений адвективно-диффузионного переноса примеси и баланса вещества. Регрессионный подход также позволяет получать прогнозные оценки экстремальных концентраций приливного генезиса с помощью данных по уровням воды, помещенным в навигационном пособии Таблицы приливов.

9. Установлено, что для отдельных устьевых объектов при отсутствии гидрохимических наблюдений успешным может быть использование моделей

адвективно-диффузионного переноса примеси или балансовых моделей. Для оценки последствий аварийного сброса загрязняющих веществ рекомендуется эмпирический подход, базирующийся на наблюдениях за распределением маркеров в конкретных приливных ситуациях.

10. Разработанные подходы позволяют эффективно решать ряд прикладных водохозяйственных и экологических задач для приливных устьев рек, в частности, при выборе оптимального местоположения водозабора, разработке нормативов ПДС, оценке техногенного воздействия и при определении характера перераспределения промысловых гидробионтов.

11. Мониторинг состояния качества вод устьев рек приливного моря необходимо проводить с обязательным учетом наличия короткопериодной изменчивости гидрохимических показателей и приливных течений. Его программу рекомендуется адаптировать под решение как можно более широкого спектра практических задач, включая разработку прогнозных моделей.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах. Монографии:

1. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Справочное пособие. Т. VI. Баренцево море. Выпуск 3. Юго-восточная часть. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 262 с. (Коллектив авторов)

2. Кузнецов В.С, Мискевич И.В., Зайцева Г.Б. Гидрохимическая характеристика крупных рек бассейна Северной Двины. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 195 с.

3. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.1. Баренцево море. Вып.2. Гидрохимические условия и океанологические условия биопродуктивности: Проект "Моря СССР". - С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992. -182 с. (Коллектив авторов)

4. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов

и прогнозирования. - Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2001. -126 с.

5. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Использование поверхностных вод на предприятиях лесохимического комплекса в условиях приливных устьев рек. - Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2002. - 96 с.

Статьи в журналах и сборниках:

1. Родионов НА., Палыпин Н.И., Мискевич И.В. Балансы нефтяных углеводородов в морях Советского Союза. Белое море//Труды ГОИН.-1984.-Вып.1(ДСП).- С. 34-42.

2. Мискевич И.В. Учет приливо-отливных явлений в устьях рек при контроле состояния

загрязненности их водной среды // Загрязненность природной среды: изучение и контроль. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - С.147-152.

3. Мискевич И.В. Некоторые особенности распространения кремния в приливных эстуариях юго-восточной части Баренцева моря // Гидрохимические материалы. Т. 99, 1987.-С. 110-112.

4. Мискевич И.В. Использование связи "хлорность-ингредиент" при исследованиях и прогнозировании качества эстуарных вод // Химия и биология морей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - С. 53-57.

5. Мискевич И.В. Гидрохимия устьев рек Чешской губы Баренцева моря //Известия ВГО. -1987.-Т.119, вып.5. - С.443-447.

6. Мискевич И.В. Об адвективно-турбулентном переносе вещества в приливном эстуарии // Метеорология и гидрология.- 1988.-№31.-С.72-77.

7. Мискевич И.В. Гидрохимия устьевой области Онеги //Водные ресурсы. -1988.- № 4. -

С.74-84.

8. Мискевич И.В. Гидрохимические аномалии устьев рек Субарктики // Человек и стихия.-1988. -С. 95-96.

9. Лукин Л.Р., Мискевич И.В. Гидрологические и гидрохимические показатели вод Унской губы Белого моря // Вопросы промысловой океанологии. - Мурманск, 1989. -С.177-183.

10. Мискевич И.В. Некоторые особенности распределения биогенных веществ в приливных устьях рек при ледоставе // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике" Ледотермические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации". - Л.: Энергоиздат, 1989. - С.30-34.

11. Мискевич И.В. Одномерные робастные регрессионные модели в приложении к гидрохимическим исследованиям Белого моря // Материалы докладов IV региональной конференции "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря". - Архангельск, 1990. - С. 77-79.

12. Мискевич И.В. Сравнительная характеристика гидрохимических режимов устьев наиболее крупных рек Европейского Севера // Социально-экологические проблемы Европейского Севера. - Архангельск, Изд-во "Правда Севера, 1991.

13. Кузнецов B.C., Мискевич И.В. Оценка качества Печорской губы Баренцева моря // Проблемы экологии полярных областей. Вып.2. - М.:Наука, 1991.

14. Мискевич И.В. Сток реки Северной Двины как фактор химического загрязнения Баренцева моря// Материалы Международной конференции "Загрязнение морей вокруг побережья СНГ. Часть II. - Севастополь, 1993. - с.43 - 46.

15. Miskevich.I.V., Skibinsky L.E. Stochastic model of quality of estuarien waters on basis of regressive equations// NATO ARM Stochastic Model of Hydrological Processes and their Applications to Problems ofEnviromental Preservation. - Mocow, 1998.

16. Кузнецов И.В., Мискевич И.В. Анализ изменчивости содержания кислорода в водах дельты Северной Двины в зимнюю межень // Экология Северной Двины.-Архангельск, 1999. - С. 126-129.

17. Мискевич И.В. Гидролого-гидрохимическая характеристика устья реки Дресвянки (Печорская губа Баренцева моря) //Материалы Международной научной конференции, посвященной 90-летию со дня учреждения Архангельского общества изучения Русского Севера. - Архангельск, Изд-во "Правда Севера, 1999. - С. 110115.

18. Мискевич И.В., Доброскок М.В. Учет пространственной неоднородности процессов формирования качества вод дельты Северной Двины при планировании хозяйственной деятельности на ее территории // Север:экология / УрО РАН. -Екатеринбург, 2000. - С. 109-117.

19. Мискевич И.В. Водохозяйственные аспекты использования устьев рек юго-востока Баренцева моря //Труды XI Съезда Русского Географического общества - С-Пб, 2000.-Т.7.-С.13-17.

20. Мискевич И.В. Некоторые особенности осолонения устьев рек юго-восточной части Баренцева моря //Труды XI Съезда Русского Географического общества. - С-Пб, 2000. -Т.З.- С.80-83.

21. Зеленков В.М., Мискевич И.В. Оценка возможного воздействия добычи нефти на морские арктические экосистемы на примере Приразломного месторождения в Печорском море// Сборник материалов Международного семинара" Охрана водных ресурсов в условиях освоения нефтегазовых месторождений на шельфе и

внутренних водных объектах Российской Федерации". - М: Изд-во Экономика и информатика, 2000. -С.48-59.

22. Мискевич И.В., Зеленков В.М. Чувствительность акваторий и прибрежной зоны Печорского моря к аварийным разливам нефти при освоении нефтяного месторождения Приразломное // Сборник материалов Международного семинара " Охрана водных ресурсов в условиях освоения нефтегазовых месторождений на шельфе и внутренних водных объектах Российской Федерации". - М.: Изд-во Экономика и информатика, 2000. - С.132-133.

23. Особенности эвтрофикации устьев рек Белого моря на примере устьевой области реки Северной Двины //Материалы VIII Региональной научно-практической конференции "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря" (Беломорск, 2001). - Архангельск, Изд-во "Правда Севера, 2001.-С. 44-47.

24. Мискевич И.В. Стохастическая модель изменчивости растворенных веществ в устьях рек приливного моря // Труды конференции " Современные проблемы стохастической гидрологии"/ИВП РАН. - М.: 2001. - С.212-215.

25. Мискевич И.В., Оберюхтина И.А. Определение влияния стоков целлюлозно-бумажных комбинатов на качество вод Белого моря на примере распределения лигнина в устье Северной Двины // Материалы рыбохозяйственных исследований водоемов Европейского Севера. Сборник научных трудов. - Архангельск: Изд-во "Правда Севера", 2002. - С. 12-18.

26. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Некоторые особенности статистического анализа параметров качества вод приливных устьев рек.// Известия Высших учебных заведений. Лесной журнал.- 2002 - № 3 - С. 98-108.

27. Мискевич И.В. Оптимизация контроля качества природных и сточных вод при водопользовании для предприятий целлюлозно-бумажной промышленности в бассейне Северной Двины // Материалы научно-практической конференции "Нормирование водоотведения на целлюлозно-бумажных предприятиях бассейна реки Северная Двина в рыночных условиях" - Архангельск: Изд-во ОАО «АЦБК» 2003. -С.29-32.

28. Мискевич И.В. Особенности формирования гидрохимического режима приливных устьев рек Белого и Баренцева морей // Комплексные исследования устьев рек Европейского Севера России. Сборник научных трудов Арх. Центра РГО. -Архангельск, Изд-во АГТУ, 2003. -С. 48-63.

29. Мискевич И.В., Чугайнова ВА Результаты мониторинговых гидрохимических наблюдений в Унской губе Белого моря // Комплексные исследования устьев рек Европейского Севера России. Сборник научных трудов Арх. Центра. - Архангельск, Изд-во АГТУ, 2003.-С. 64-68.

30. Мискевич И. В., Чугайнова В .А. О состоянии загрязненности вод Белого моря // Состояние и охрана окружающей среды Архангельской области в 2002 году.-Архангельск, Изд-во ЗАО "Архангельский печатный дом", 2003.- С.32-38.

Сдано в произв. 08.02.2005. Подписано в печать 08.02.2005. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Гарнитура Тайме. Усл.печ.л.3,25. Уч.-изд.л. 3,1. Заказ № 32. Тираж 120 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

" 2711

Содержание диссертации, доктора географических наук, Мискевич, Игорь Владимирович

Введение. ф

Глава 1. Приливные явления в устьях рек и их роль в смешении речных и морских вод.

Глава 2. Особенности формирования гидрохимического режима приливных устьев рек.

Глава 3. Краткий обзор состояния исследований химического состава приливных устьев рек численными методами.

Глава 4. Методы расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик устьев рек приливного моря.

4.1. Определение режимных гидрохимических характеристик приливных устьев рек.

4.2. Методы прогнозирования химического состава устьевых вод.

4.2.1. Общие аспекты проблемы гидрохимического прогнозирования в приложении к приливным устьям рек.

4.2.2. Эмпирические методы.

4.2.3. Гидродинамические методы.

4.2.4. Балансовые методы.

Глава 5. Использование расчетных методов для оценки химического состава вод приливных устьев рек при решении прикладных задач.

5.1. Забор устьевых вод для различных целей.

5.2. Сброс сточных вод.

5.3. Оценка влияния гидротехнических сооружений.

5.4. Оценка последствий аварийного сброса загрязняющих веществ.

5.5. Решение задач промысловой океанологии.

Глава 6. Научно-методические аспекты организации и функционирования гидрохимического мониторинга в устьях рек приливных морей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования"

Устьевые области рек приливных морей относятся к водным объектам с наиболее сложными гидролого-гидрохимическими условиями. Здесь пространственно-временная изменчивость многих гидрохимических показателей может на 1-2 порядка превышать их колебания в чисто речных или чисто морских водах. Подобная ситуация, в основном, связана с воздействием приливных явлений на фронтальные разделы между водами различного генезиса, в частности, между пресными и солеными водами. С другой стороны, устья рек обычно служат местами концентрации населения, промышленных, гидротехнических и сельскохозяйственных объектов, а также зонами интенсивного использования водных, биологических и рекреационных ресурсов Все это обуславливает значительную сложность процессов формирования качества устьевых вод, что, в свою очередь, вызывает большие затруднения при оценке их состояния для решения задач оптимизации хозяйственного использования и сохранения экологической безопасности.

К сожалению, следует констатировать отсутствие в нашей стране научно обоснованной методической базы, позволяющей получать эффективные результаты при проведении различного рода теоретических и прикладных расчетов режимных, прогнозных и других гидрохимических I характеристик рассматриваемых водных объектов Это во многом обусловлено отсутствием серьезных исследований воздействия приливных явлений на гидрохимические процессы Имеющиеся методики для зон смешения речных и морских вод, в силу исторических особенностей развития России (СССР), были адаптированы главным образом к условиям неприливных морей (Балтийского, Черного, Азовского, Каспийского). Их применение для приливных устьев рек часто дает некорректные результаты. Это во многом обусловлено принципиальными различиями в масштабах пространственно временной изменчивости природных условий приливных и неприливных морей За рубежом, особенно в странах

Западной Европы, США, Австралии и Японии данной проблеме уделяется большое внимание, учитывая значительную урбанизированность их морских побережий. Но при этом используемые методы численных оценок в основном базируются на гидродинамических моделях, разработанных в 60-70-е годы двадцатого столетия и осовремененных за счет применения компьютерных технологий. Следует также отметить отсутствие для решения ряда экологических задач каких-либо методических приемов, учитывающих специфику приливных явлений.

В последнее время резко повысились возможности проведения детальных натурных исследований поверхностных вод за счет использования автоматизированных систем и портативного измерительного оборудования. Это, в свою очередь, открывает широкие перспективы для разработки и практической реализации разнообразных эмпирических моделей на основе статистического анализа натурных данных. Но для решения различных задач в рамках рассматриваемой проблемы необходимо осуществить выбор наиболее оптимальных расчетных алгоритмов, учитывающих особенности гидрохимического режима приливных устьев рек.

Интенсификация освоения в последние годы северных и дальневосточных морей Российской Федерации, где наблюдаются приливы, требует значительного увеличения объема информации об их природных условиях и реакции водных экосистем на техногенное воздействие. Особенно остро данный вопрос стоит для устьев рек Белого и Баренцева морей в связи с широкомасштабным развитием в Баренц-регионе хозяйственной деятельности по разведке, добыче, переработке углеводородного сырья, полиметаллических руд, алмазов, с повышением объемов производства в лесной и лесохимической промышленности и формированием новых транспортных коммуникаций. Все это влечет за собой значительное увеличение использования водных ресурсов приливных устьев рек и порождает различные негативные эффекты для их экосистем. Для решения проблемы охраны и рационального использования устьевых вод крайне необходимо особое внимание уделить методическим аспектам расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик, учитывающих специфику их природных условий.

Диссертационная работа направлена на решение данной проблемы, и ее целью являются исследования особенностей гидрохимических процессов в устьях рек приливных морей, а также разработка методов расчета и прогнозирования параметров химического состава вод подобных водных объектов, в том числе ориентированных на решение водохозяйственных и экологических проблем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить специфику формирования химического состава вод разнотипных приливных устьев рек под влиянием различных факторов, включая антропогенное воздействие;

• провести анализ существующих методов расчета и прогнозирования гидрохимических характеристик устьевых зон;

• подготовить научно-методическое обоснование гидрохимического прогнозирования с учетом специфики рассматриваемых водных объектов и практического использования прогнозной информации,

• провести модификацию существующих методов и разработать новые подходы для численной оценки химического состава вод устьев рек приливных морей;

• предложить модели (расчетные схемы) для конкретных видов водопользования, хозяйственной и иной деятельности в приливных устьях рек и алгоритмы их практической реализации;

• дать научно-методическое обоснование гидрохимического мониторинга состояния вод устьев рек приливных морей.

Для их решения привлекались результаты полевых наблюдений, проведенных автором в устьях больших, средних и малых рек Белого и

Баренцева морей, в период его работы в Северном УГМС, ИБП РАН и Северном отделении ПИНРО в 1981- 2002 годах, информация, полученная при экспериментировании с различными расчетными методами и математическими моделями, а также анализ публикаций по рассматриваемой теме.

В диссертационной работе на защиту выносятся следующие положения:

• закономерности процессов формирования химического состава вод в устьях рек приливных морей во взаимодействии с определяющими их факторами на примере Белого и Баренцева морей;

• методология определения режимных гидрохимических характеристик, учитывающая специфику устьев рек приливных морей;

• научно-методическое обоснование методов прогнозирования гидрохимических показателей, адаптированных для приливных устьев рек;

• методы решения конкретных прикладных задач для разнотипных устьевых областей рек приливного моря, связанных с необходимостью оценки химического состава устьевых вод;

• научно-методическое обоснование мониторинга качества поверхностных вод в устьях рек приливных морей и рекомендации конкретных схем его проведения

Впервые выполнен анализ особенностей формирования химического состава вод устьев рек приливных морей на основе изучения влияния приливных эффектов. Показано наличие полипериодичности в изменчивости гидрохимических характеристик и ее связь с природными и техногенными факторами. Выявлено наличие доминирующих колебаний в различных масштабах изменений (приливных, синоптических, сезонных) исследуемых параметров. Определена специфика гидрохимических режимов устьев рек с различной величиной прилива Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными изменениями уровня воды.

Предложены методы для расчета режимных и фоновых гидрохимических характеристик приливных эстуариев. Их принципиальная новизна состоит в применении робастных подходов и учете приливной изменчивости исследуемых показателей.

Исходя из специфики гидрохимических прогнозов в приливных устьях рек, предложена их новая классификация с учетом подходов, применяемых при составлении морских гидрологических и речных гидрохимических прогнозов. Показана возможность проведения прогнозных расчетов с использованием различных методов, которые в общем случае можно свести к одномерной регрессионной модели. Разработан новый вид одномерной регрессионной модели на основе интервальных медиан, позволяющей проводить расчеты при любом распределении регрессионных остатков, что, в частности, не позволяет классический метод наименьших квадратов. К новому направлению можно отнести предложение применять регрессионные модели, учитывающие связь гидрохимических параметров с приливными колебаниями уровня воды. Их целесообразно применять для прогнозирования с применением навигационного пособия Таблицы приливов, в которых дается предсказание величины прилива на год вперед.

Разработан новый подход к определению коэффициента дисперсии для одномерных моделей переноса примеси в приливном водотоке.

Впервые предложены эмпирический метод разработки нормативов ПДС и мониторинговый метод оценки техногенного влияния гидротехнических сооружений, учитывающие особенности гидрохимических процессов в приливных устьях рек. Даны новые рекомендации по проведению проектных изысканий в подобных водных объектах. Предложены новые научно-методические принципы организации мониторинга качества устьевых вод, принимающие во внимание наличие приливных явлений

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе дается классификация устьев рек и приливных явлений, рассматривается механизм смешения речных и морских вод при различных величинах прилива с учетом геоморфологических особенностей устьевых водотоков и водоемов. Во второй главе раскрывается специфика формирования гидрохимического режима приливных устьев рек, в третьей главе приведен краткий обзор состояния исследований гидрохимии устьев рек приливных морей. Четвертая глава посвящена научно-методическому обоснованию процедур расчета режимных и прогнозных гидрохимических характеристик в приложении к приливных устьям рек. В пятой главе предлагаются наиболее оптимальные подходы для решения прикладных задач, связанных с использованием устьевых водных ресурсов, и в шестой главе дается научно-методическое обоснование организации мониторинга химического состава вод рассматриваемых водных объектов.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Мискевич, Игорь Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена решению очень сложной комплексной проблемы, охватывающей широкий круг вопросов из различных областей науки - гидрохимии, водохозяйственных исследований, гидрологии суши, океанологии, гидродинамики и прикладной математики. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволяют сделать следующие основные выводы

1. Показано, что приливные явления генерируют специфические эффекты в гидрохимическом режиме устьевых вод, в том числе, не отмечающиеся на других водных объектах. Это, в первую очередь, связано с соответствующей периодичностью колебаний уровня воды, скоростей и направлений течений, литодинамических процессов, деформацией ледового покрова, изменений водных объемов и наличием приливных осушек.

2. Установлено, что для гидрохимических характеристик приливных устьев рек, как показали исследования на Белом и Баренцевом морях, типична большая пространственно-временная изменчивость, особенно на участках локализации фронтальных разделов между речными и морскими водами. Их колебания во времени имеют сложный спектр, обусловленный наложением разнопериодных циклов природного происхождения при преимущественном доминировании основных приливных гармоник в рамках определенного сезона. Амплитуда подобных колебаний может на порядок превышать их аналогичные изменения в чисто речных и морских водах.

3. Показано, что техногенное воздействие может усиливать или ослаблять приливную изменчивость параметров химического состава устьевых вод в зависимости от расположения его источника по отношению к фронтальной зоне между речными и морскими водами

4. Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными колебаниями уровня воды в устьях рек при наличии их пространственного градиента.

5. Для оценки режимных (фоновых) гидрохимических параметров в приливных устьях рек, учитывая преобладание коротких временных рядов, целесообразно использовать такие робастные оценки, как медиану и трехсреднее значение в качестве оценки центра положения, и интерквартильный размах в качестве оценки масштаба изменчивости При этом концентрации, соответствующие моментам малой и полной вод приливного цикла, можно в первом приближении оценивать по диапазонам значений, заключенных между квартилями и экстремальными значениями.

6. Для гидрохимических прогнозов в условиях устьев рек предлагается классификация и методология, базирующаяся на принципах составления морских гидрологических прогнозов при учете опыта прогнозирования качества речных вод и специфики практического использования гидрохимической информации.

7. При гидрохимическом прогнозировании наиболее предпочтительно использовать физико-статистические методы и методы моделей временного ряда. Наиболее удачные прогнозы получаются для показателей имеющих большие различия в концентрациях для речных (иногда сточных) и морских вод, и высокую точность аналитического определения. В условиях Белого и Баренцева морей к ним, в частности, относятся соленость (минерализация), главные ионы, кислородонасыщение, величина рН и кремний.

8. Показано, что для расчета режимных и прогнозных характеристик в приложении к гидрохимии приливных устьев рек наиболее подходит одномерное линейное регрессионное уравнение, учитывающее возможную погрешность расчетов и допускающее различные версии робастного подхода. В форму такого уравнения можно свести упрощенные варианты уравнений адвективно-диффузионного переноса примеси и баланса вещества. Регрессионный подход также позволяет получать прогнозные оценки экстремальных концентраций приливного генезиса с помощью данных по уровням воды, помещенным в навигационном пособии Таблицы приливов

9. Установлено, что для отдельных устьевых объектов при отсутствии гидрохимических наблюдений успешным может быть использование моделей адвективно-диффузионного переноса примеси или балансовых моделей. Для оценки последствий аварийного сброса загрязняющих веществ рекомендуется эмпирический подход, базирующийся на наблюдениях за распределением маркеров в конкретных приливных ситуациях

10.Разработанные подходы позволяют эффективно решать ряд прикладных водохозяйственных и экологических задач для приливных устьев рек, в частности, при выборе оптимального местоположения водозабора, разработке нормативов ПДС, оценке техногенного воздействия и при определении характера перераспределения промысловых гидробионтов.

11. Мониторинг состояния качества вод устьев рек приливного моря необходимо проводить с обязательным учетом наличия короткопериодной изменчивости гидрохимических показателей и приливных течений. Его программу рекомендуется адаптировать под решение как можно более широкого спектра практических задач, включая разработку прогнозных моделей.

Полученные результаты, указывают на необходимость уделять больше внимания изучению короткопериодных приливных колебаний гидрохимических характеристик в устьевых объектах различного типа. Особенно это касается поведения высокотоксичных веществ и соединений, специфических для водоемких производств, в зоне биогеохимического эстуарного барьера К сожалению, высокая стоимость их анализов ориентирует многих исследователей на максимальное снижение количества подобных наблюдений при стремлении изучать только сезонные явления, что, в конечном счете, сильно снижает прикладную информативность получаемых результатов. Для решения данной проблемы рекомендуется опираться на адаптацию схем натурных наблюдений к конкретным математическим моделям, что в большинстве случаев резко повышает их эффективность.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Мискевич, Игорь Владимирович, Архангельск

1. Михайлов В.Н Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М. Изд-во "Геос", 1997. - 413 с.

2. Самойлов И.В. Устья рек. М.: Географиз, 1952 - 526 с.

3. Сафьянов Г.А. Эстуарии. М/ Мысль, 1987 - 189 с.

4. Михайлов В.Н. Гидрологические процессы в устьях рек. М. Геос, 1997.176 с

5. Океанографические таблицы Л . Гидрометеоиздат, 1975 - 478 с

6. Лупачев Ю.В. Динамическое взаимодействие морских и речных вод в приливных устьях рек. // Тр. ГОИН.-1984 Вып. 172.- С 64-82

7. Dyer K.R., New A.L. Intermittency in estuarme mixing // Estuarine variability -New-York, Academic Press, 1986 P 321-339

8. Лапин H А., Красюков В H. Влияние гуминовых кислот на поведение тяжелых металлов в эстуарных водах //Океанология -1986 -T.XXVI -Вып.4.-С.621-627.

9. Лисицин Л. П. Лавинная седиментация и перерывы в осадконакоплении в морях и океанах. — М ■ Наука, 1988.-309 с.

10. Мискевич И.В. Некоторые особенности распространения кремния в приливных эстуариях юго-восточной части Баренцева моря // Гидрохимические материалы Т 99, 1987. С 110-112

11. Симонов А.И. Гидрология и гидрохимия устьевого взморья в морях без приливов. М.: Гидрометеоиздат, 1969. - 230 с.

12. Гордеев В В. Речной сток в океан и черты его геохимии.- М Наука, 1983.159 с.

13. Артемьев A.B. Геохимия органического вещества в системе река-море. -М.: Наука, 1990. с.204.

14. Савенко B.C., Захарова Е.А. Фосфор в зоне смешения морских и речных вод // Водные ресурсы. 1998, Т. 25.- № 3. - С.321 -329.

15. Гидрология устьевой области Северной Двины. М.: Гидрометеоиздат, 1965,- 376 с.

16. Руководство по гидрологическому исследованию морских устьев рек. -М.: Гидрометеоиздат, 1965. 339 с.

17. Руководство по гидрологическим исследованиям в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях. М.: Гидрометеоиздат, 1965.-339 с.

18. Руководство по расчету элементов гидрологического режима в прибрежной зоне морей и устьях рек при инженерных изысканиях. М.: Гидрометеоиздат, 1973. - 535 с.

19. Методические указания по химическому анализу распресненных вод морских устьевых областей рек и эпиконтинентальных морей № 46/ГОИН -М.: Гидрометеоиздат, 1984.- 83 с.

20. ГОСТ 17.1.3.08-82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества морских вод. 8 с.

21. РД 52 24.309-92. Методические указания Охрана природы. Гидросфера. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992.

22. Потанин В.А., Норина А.М. К методике оценки загрязнения прибрежных вод Баренцева и Белого морей // Природа Севера и ее охрана. Мурманск, 1981. -С.52-57.

23. Временные методические указания по оперативному прогнозированию загрязненности рек /Гидрохимический институт. JL: Гидрометеоиздат, 1981 -103 с.

24. Рекомендации по размещению и проектированию рассеивающих выпусков сточных вод / ГГИ. М.: Стройиздат, 1981. -224 с.

25. Хубларян М.Г., Фролов А.П. Моделирование процессов интрузии в эстуариях и подземных водоносных горизонтах. М. НаукаД988 -143 с

26. Бреховских В Ф Гидрофизические факторы формирования кислородного режима водоемов М. Наука, 1988 - 168 с

27. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР Справочное пособие. Т.VI. Баренцево море. Выпуск 3. Юго-восточная часть. -JL: Гидрометеоиздат, 1984. 262 с.

28. Мискевич И.В Учет приливо-отливных явлений в устьях рек при контроле состояния загрязненности их водной среды // Загрязненность природной среды: изучение и контроль. JI • Гидрометеоиздат, 1986. - С 147152.

29. Мискевич ИВ Использование связи "хлорность-ингредиент" при исследованиях и прогнозировании качества эстуарных вод // Химия и биология морей. JI. Гидрометеоиздат, 1987 - С. 53-57

30. Мискевич И.В. Гидрохимия устьев рек Чешской губы Баренцева моря //Известия ВГО. -1987.-Т. 119, вып.5. С.443-447.

31. Мискевич И.В Об адвективно-турбулентном переносе вещества в приливном эстуарии // Метеорология и гидрология.- 1988.-№ 31.- С 72-77.

32. Мискевич И.В Гидрохимия устьевой области Онеги //Водные ресурсы -1988.-№4 С.74-84

33. Кузнецов ВС, Мискевич ИВ, Зайцева Г Б. Гидрохимическая характеристика крупных рек бассейна Северной Двины Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 195 с.

34. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. T.I. Баренцево море. Вып.2 Гидрохимические условия и океанологические условия биопродуктивности Проект "Моря СССР". С-Пб/ Гидрометеоиздат, 1992. -182 с.

35. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования. Архангельск: Изд- во АГТУ, 2001. -126 с.

36. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Использование поверхностных вод на предприятиях лесохимического комплекса в условиях приливных устьев рек. — Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2002. — 96 с.

37. Гидродинамика береговой зоны и эстуариев. -JL: Гидрометеоиздат, 1970 -394 с

38. Математические модели загрязнения воды. М.- Мир, 1981 - 472 с.

39. Моделирование морских систем . JI. Гидрометеоиздат, 1978. -280 с

40. Мак-Доуэлл Д.М., О'Коннор Б.А. Гидравлика приливных устьев рек. М.: Энергоатомиздат, 1983.- 260 с.

41. Бреховских В.Ф., Дебольская Е.И., Дебольский В.К., Мордасов М.В. Исследования процессов распространения загрязняющих веществ в приливных устьях рек// Водные ресурсы. 1997.- № 5. - С.532-536.

42. Gadbois L Е., Neilson B.J Natural variability of water quality in temperate estuary //Statist. Aspects Water Qual. Monit. Proc. Workshop, Burlington,Oct. 710, 1985.-Amsterdam e.a, 1986 -P 158-171

43. Blanchard S.F. Dissolved silica in the tidal potomac river and estuary, 1979 -81 water years a water -quality study of potomac river and estuary //U.S. Geol. Surv. Water-Supply Pap. - 1988.- № 2234H. -P.l- 48.

44. Alverez-Salgado X.A., Miller A.E.J. Dissolved organic carbon in a large macrotidal estuary (the Hamber, U.K.): Behavior during estuarine mixing // Mar. Pollut. Bull. -1998. 37, № 3-7. - P. 216-224.

45. Основы прогнозирования качества поверхностных вод.- М.' Наука, 1982. -181 с

46. Ламанов В.И., Вязилов Е Д., Михайлов H.H. и другие. Режимно-справочиые банки океанографических данных М : Гидрометеоиздат, 1988 -150 с.

47. СНиП 11-01-95 Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. М.: Минстрой России, 1995.

48. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства/Госстрой России. М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997. -41 с.

49. Гидрохимический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -239 с.

50. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод / ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат, 1985285 с.

51. РД 52.24.622-2001. Методические указания. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. /ГХИ. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - 63 с.

52. Справочник по гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -391 с.

53. Тьюки Д. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ. -М.: Мир, 1981. 688 с.

54. Устойчивые статистические методы оценки данных. М.: Машиностроение, 1984. - 231 с.

55. Хьюбер П. Робастность в статистике. М.: Мир, 1984.- 303 с

56. Микулинская С.М., Рожков В.А. Обработка малых выборок // Режимообразующие факторы, информационная база и методы ее анализа.-Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- С. 167-176.

57. Робастность в статистике. Подход на основе функций влияния. М.: Мир,1989. - 512 с. .

58. Павелко В.Л. Пути совершенствования методов расчета оценок качества вод // Гидрохимические материалы 1981 - Т ЬХХУШ - С 32-41.

59. Благовещенский Ю Н, Самсонова В П , Дмитриев Е А. Непараметрические методы в почвенных исследованиях М.: Наука, 198795 с.

60. Компьютерная биометрика М.: Изд-во МГУ, 1990. -232 с.

61. Мискевич И.В., Боголицын К.Г. Некоторые особенности статистического анализа параметров качества вод приливных устьев рек // Изв. высших учебных заведений. Лесной журнал. 2002. - № 3. - С.98-107

62. Оценить влияние проектируемой ПЭС на экосистему Мезенского залива // Отчет о НИР НТКЦ "Шельф". Архангельск, 1990 93 с

63. Гире А А., Кондратович К В. Методы долгосрочных прогнозов погоды -Л • Гидрометеоиздат, 1978.- 343 с

64. Смирнов А.Н., Вайновский П.А., Титов Ю.Э Статистический анализ и прогноз океанологических процессов. С-Пб. Гидрометеоиздат, 1992.-198 с.

65. Рабочая книга по прогнозированию. -М.' Мысль, 1982. 430 с.

66. Скриптунова Л.И. Методы морских гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -279 с.

67. Руководство по морским гидрологическим прогнозам. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1994. - 526 с

68. Полонский ВФ, Лупачев ЮВ, Скриптунов НА Гидролого-морфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза) СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. -384 с.

69. Кочинов В Н., Семенов А.И., Яковлев В.Н Краткосрочный рыбопромысловый прогноз: информационно-методическое обеспечение и организация. М.: ВНИРО, 1990. -52 с.

70. Малинин В.Н., Чернышков П.П., Гордеева С.М. Канарский апвеллинг: крупномасштабная изменчивость и прогноз температуры воды. с-Пб.: Гидрометеоиздат, 2002. 154 с.

71. Лупачев Ю.В. Особенности проникновения соленой воды в приливное устье реки (на примере устья Северной Двины) //Труды ГОИН. -1980. -Вып. 129. С.37-52.

72. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: исследования зависимостей М. Финансы и статистика, 1985. - 487 с.

73. Мостеллер Ф., Тьюки Д. Анализ данных и регрессия. М • Финансы и статистика, 1982, вып.2. - 238 с.

74. Мискевич И.В. Стохастическая модель изменчивости растворенных веществ в устьях рек приливного моря // Труды конференции " Современные проблемы стохастической гидрологии" /ИВПРАН. М. 2001. - С 212-215.

75. Loder Т.С., Reichard R.D. Dynamics of conservative mixing m estuaries.-Estuaries. 1981.vol.4. № 1. - P.64-69.

76. Officer Ch.B. Physical oceanography of estuaries (and assosiated coastal waters).- New York: A Wiley -Interscience Publ., 1976.- 465 p.

77. Отнес P., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982. - 428 с.

78. Драган. Я.П., Рожков В.А., Яворский ИН Методы вероятностного анализа ритмики океанологических процессов. Л. Гидрометеоиздат, 1987. -280 с.

79. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане.-Л Гидрометеоиздат, 1986 -279 с.

80. Иваненков Г В., Удовенко А.В Обобщение "телеграфного" уравнения с учетом эффектов памяти в применении к задачам переноса примеси в море //Тр. ГОИН.- 1980,- Вып. 154 С.4-27.

81. Борисов Е.В. Оперативные методы оценки распределения концентрации загрязняющих веществ в море // Тр. ГОИН.- 1980.- Вып. 154 С.61- 76.

82. Гончаров А.А., Кравчук М.А., Цвецинский А.С. Оперативный метод расчета распространения взвеси в районе дампинга грунтов в приливном море // Тр. ГОИН.- 1985 Вып. 174. - С. 98-107.

83. Кравец А.Г Модель крупномасштабной баротропной циркуляции в мелководном окраинном море // Метеорология и гидрология.- 1987. № 11 -С. 84-91.

84. Лупачев Ю.В Эффект результирующей приливной накачки в эстуариях // Метеорология и гидрология.- 1989. № 9. - С 78-83.

85. Stommel Н. Computation of pollution in a vertical mixed estuary. -Sewage and md. water, 1953. 25,- P. 1065-1071.

86. Taylor G I. The dispersion of matter in turbulent flow through a pipe Proc.R. Soc., London, I960.- Ser. A 223. - P. 446-468

87. Мискевич И.В. Водохозяйственные аспекты использования устьев рек юго-востока Баренцева моря //Труды XI Съезда Русского Географического общества. С-Пб, 2000. -Т.7.- С 13-17

88. Zimmerman J.T.C. Dispersion by tide induced residual current vortices. -Hedrodynamics of Estuary and Fjords.- 1980.- № 3 . P. 43-52 .

89. Галкин Л.М., Маджарова С А. Применение метода Монте-Карло для решения задач распространения примесей в естественных водотоках. -Водные ресурсы, 1997, том 24, № 4. С.398-403.

90. Земляная НВ., Ляхов ВН Долгосрочный прогноз качества воды в морских акваториях /Водные ресурсы, 2003, том 30 ,№4 -С 485-492

91. Barrret M.J., Mollowney B.M. Pollution problems in relation to the Thames Barrier 11 Phil.Nrans. Roy.Soc., London. 1972.

92. Миекевич И.В. Сравнительная характеристика гидрохимических режимов устьев наиболее крупных рек Европейского Севера // Социально-экологические проблемы Европейского Севера Архангельск, Изд-во "Правда Севера, 1991. - С.89-94.

93. Норман. Э.А. Порт Индига морские ворота Сибири и Урала // Известия Сибирского отд. АН СССР. Серия общественных наук. -1975.- № 1, вып. 1 -С.26- 34.

94. Калицун В.И., Кедров B.C., Ласков Ю.М. Гидравлика, водоснабжение и канализация. -М.: Стройиздат, 2001. —397 с.

95. Раткович Л.Д. Распределение вероятностей членов ранжированной выборки.// Водные ресурсы.- 1984.- №3. С. 15-22.

96. ГОСТ 17.1.1.01 -77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения. -13 с.

97. Методика расчета предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами/ВНИИВО. Харьков, 1990. - 113 с.

98. Разработать нормы предельно допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в устьевую область Северной Двины // Отчет о НИР НТКЦ "Шельф", Архангельск, 1989. 66 с.

99. Приливные электростанции. М.: Энергоатомиздат, 1987. -296 с.

100. Семенов В.Н. Виды антропогенного воздействия на морские экосистемы и некоторые способы их выявления // Экологическая ситуация и охрана флоры и фауны Баренцева моря. Апатиты.: Изд-во КНЦ АН СССР, 1991 — С.115-121.

101. Мискевич И.В. Мониторинговый метод оценки "экологической безопасности" форелевых ферм // Тез. докл. V регион, конф. "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря". Петрозаводск, 1992 -60-61.

102. Парзен Э., Перспектива использования функции плотностей квантилей для устойчивого оценивания // Устойчивые статистические методы оценки данных. М.: Машиностроение, 1984. - С. 188- 205.

103. Оценить влияние форелевого марихозяйства, размещенного в Унской губе на состояние ее экосистемы по микробиологическим, гидрохимическим и гидрологическим показателям // Отчет о НИР НИК "Субарктика". Архангельск, 1991. 87 с.

104. Дженкинс Г., Ватсс Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып.1. -М.: Мир, 1972, -С.26-32.

105. Временное положение о порядке взаимодействия федеральных организаций власти при аварийных выбросах и сбросах загрязняющих веществ и экстремально высоком загрязнении окружающей природной среды (Зарегистрировано в Минюсте РФ 11 09.95, рег.№ 946).

106. Израэль Ю.А Экология и контроль состояния природной среды. -Д. Гидрометеоиздат, 1979. -375 с.

107. ГОСТ 17 1.3.07 -82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков. 12 с.

108. Правила охраны поверхностных вод (Типовые положения) -Утверждены Госкомприродой СССР 21.02.91. М., 1991 121. СанПиН 2.1.5.980 -00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. -М.: ФЦ Госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2000 -24 с.

109. Мискевич И.В., Доброскок М.В. Учет пространственной неоднородности процессов формирования качества вод дельты Северной Двины при планировании хозяйственной деятельности на ее территории // Север:экология / УрО РАН. Екатеринбург, 2000. - С. 109-117.

110. Тушинский С.Г. Об одном методе расчета системы наблюдений за параметрами качества воды // Гидрохимические материалы. -1986.- Т. ХС1У, -С.10-18.

111. Мискевич И.В. К вопросу о методике расчета выноса различных химических веществ с речным стоком в приливные моря // Материалы 28-го Всесоюзного гидрохим. совещания, г. Ростов-на-Дону -Л.: Гидрометеоиздат, 1986.