Имитационная модель экосистемы моря Бохай как инструмент анализа и прогноза антропогенного эвтрофирования его вод

Лю Сулин

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Имитационная модель экосистемы моря Бохай как инструмент анализа и прогноза антропогенного эвтрофирования его вод
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Имитационная модель экосистемы моря Бохай как инструмент анализа и прогноза антропогенного эвтрофирования его вод"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Лю Сулин

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭКОСИСТЕМЫ МОРЯ БОХАЙ КАК ИНСТРУМЕНТ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗА АНТРОПОГЕННОГО ЭВТРОФИРОВАНИЯ ЕГО ВОД

Специальность 25.00.3б - геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2005

Диссертация выполнена на кафедре геоэкологии и природопользования факультета география и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор Сергеев Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор Дмитриев Василий Васильевич

доктор географических наук,

профессор Осипов Георгий Константинович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита состоится «9» июня 2005 г. в 15:00 часов на заседаний диссертационного совета Д 212.232.21 по защите диссертаций на соискание ученой' степени доктора, наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу:

199178 Санкт-Петербург, В.О., 10-ая линия, д.ЗЗ, ауц. 74.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: Университетская наб., д. 7/9 Автореферат разослан «ш> мая 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат географических наук, доцент

Г.И. Мосолова

24 f371/

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Море Бохай является внутренним морем Китая. В пределах площади его водосбора расположен один из наиболее густонаселенных районов мира с высокоразвитыми сельским хозяйством и промышленностью. Только в бассейне р. Хуанхе, впадающей в море Бохай, проживает свыше 450 млн. человек, сосредоточено свыше 60% посевных площадей пшеницы и хлопчатника Китая. Здесь сосредоточены разнообразные месторождения полезных ископаемых, развиты горнодобывающая и перерабатывающая отрасли промышленности.

Быстрый рост численности населения, высокая степень урбанизации и хозяйственного освоения площади водосбора моря привели к весьма значительной антропогенной нагрузке на морскую экосистему. Интенсификация сельского хозяйства, выражающаяся в возрастающем использовании азотных и фосфорных удобрений, и сброс в водотоки недостаточно очищенных сточных вод с животноводческих ферм и урбанизированных территорий приводят к усилению процесса эвтрофирования моря Бохай, снижению качества его вод, уменьшению видового разнообразия морского биоценоза, замене высококачественных видов рыб менее значимыми видами.

Китайская Народная Республика относится к немногочисленной группе государств с бурно развивающейся экономикой. Валовый внутренний продукт страны удваивается каждые 7-8 лет. В сфере рыбного хозяйства Китай придерживается курса на ускоренное развитие аквахозяйства. Непрерывно пополняется ассортимент продукции, расширяются масштабы аквапромыслов. В результате валовая продукция этой отрасли увеличилась с 1,92 млн. тонн в 1987 г. до 7,91 млн. тонн в 1997 г. Ее удельный вес в общем объеме производства морского рыбного хозяйства возрос с 26 до 36%.

В связи с высокой антропогенной нагрузкой на море Бохай в настоящее время и предстоящим ее усилением в ближайшем будущем весьма актуальной является проблема оценки современного трофического статуса водоема, анализа значимости факторов, определяющих процесс его эвтрофирования и выполнение имитационного моделирования возможного развития этого процесса.

Целью работы является создание пространственно-неоднородной математической модели экосистемы моря Бохай, анализ и прогноз процесса эвтрофирования его вод методами имитационного моделирования.

В связи с поставленной целью работы, автором диссертации решались следующие задачи:

1. Создание банка данных, содержащего цифровые модели полей физических, химических и биологических характеристик вод моря;

2. Выполнение анализа внугригодовой и пространственной изменчивости компонент морской экосистемы, внешних воздействий на нее и формулировка вербальной модели экосистемы;

3. Выполнение многокритериальной оценки современного трофического статуса моря, и построение цифровых моделей степени эвтрофирования его вод;

4. На основе уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций формулировка и реализация на ЭВМ пространственно-неоднородной модели экосистемы моря;

5. Выполнение ва модели анализа влияния внешних воздействий и факторов среды на эвтрофнрование моря;

6. Реализация серия модельных сценариев развития процесса эвтрофирования моря на двадцатилетнем временном интервале при различных антропогенных воздействиях.

Исходные материалы. В работе использована информация о пространственно-временном распределении компонент экосистемы и внешних воздействий на нее, приведенная в изданных в Китае атласах «Marine atlas of Bo.baiSea Yellow Sea East China Sea»,

I í-i'-C г-.-• ■„;.>:,чгЛЫщГ

Hydrology; Climatology; Chemistry и Biology.

Эта информация использована для построения цифровых моделей полей физических, химических и биологических характеристик в узловых точках сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию берегов и морфологию дна моря.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является водная экологическая система моря Бохай, находящаяся под интенсивным антропогенным воздействием. Предмет исследования - процесс антропогенного эвтрофирования вод моря.

Методология н методика исследования. В основу работы положен дедуктивный путь познания. Облеченный в математическую форму мысленный образ морской экосистемы составляет ее имитационную модель, которая, по определению академика Н.Н. Моисеева, «представляет собой формальное описание на ЭВМ изучаемого явления во всей его полноте на грани современного понимания науки». Модель используется для анализа степени влияния внутрисистемных и внешних факторов на процесс эвтрофирования моря, а также для реализации серии сценариев прогностического характера о поведении экосистемы при усилении антропогенных нагрузок.

Имитационная модель экосистемы моря Бохай построена на детерминистских принципах. При ее формулировке использованы: законы сохранения вещества и количества движения; принципы толерантности и Митчерлиха; формулы энергетической гидробиологии; уравнения кинетики химических реакций и т. п. Такой подход к формулировке имитационной модели позволяет говорить о ее относительной универсальности.

Предлагаемая в диссертации имитационная модель сформулирована в виде системы существенно нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных -уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций с соответствующими начальными и граничными условиями. Правые части уравнений, ответственные за описание скоростей обменных процессов между компонентами биоценоза и биотопа, формулируются на основе уравнений баланса вещества в экосистеме. Граничные условия отражают процессы обмена веществом и энергией с соседними водными экосистемами, экосистемами суши и атмосферой. Явления подсеточного масштаба учитываются параметрически.

Экосистема моря Бохай представлена в виде двухслойной структуры: верхнего продукционного слоя толщиной 5 м и нижнего дсструкционного слоя переменной толщины, которую принимаем равной 20 м. Обмен веществом между слоями происходит в процессах вертикальной турбулентной диффузии компонент экосистемы и гравитационного осаждения взвешенных субстанций. Поля ветровых и стоковых течений, ответственные за адвективный перенос компонент экосистемы, рассчитываются методом полных потоков В. Б. Штокмана.

Процедура моделирования сводится к численному решению краевой задачи для системы дифференциальных уравнений 30-ого порядка в узловых точках сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию береговой черты и морфологию дна моря.

Для распознавания трофического статуса моря по факгическим данным и по результатам моделирования его экосистемы в соответствии с прогнозными сценариями антропогенных нагрузок использована единая методика многокритериальной оценки степени эвтрофирования водоемов, предложенная В.В. Дмитриевым и Н.В. Ховановым.

Научная новизна. Работа содержит научную новизну как п теоретическом , так и в прикладном отношениях.

В теоретическом плане впервые:

сформулирована и реализована двухслойная пространственно-неоднородная непрерывная имитационная модель начальных и промежуточных звеньев водной экологической системы, предназначенная для анализа и прогноза развития процессов антропогенного эвтрофирования вод;

- при численном интегрировании системы уравнений адаптирован предложенный ПИ. Марчуиом метод шестиэтапного расщепления дифференциальных уравнений в частных производных. Предложен и реализован метод трехэтапного расщепления уравнений;

- выполнено сравнение двух модификаций модели экосистемы, сформулированных в виде краевых задач с граничными условиями первого и третьего рода всюду на боковых границах. При этом граничные условия первого рода получены путем реализации точечных и двухрезервуарных моделей экосистемы, представляющих собой системы обыкновенных дифференциальных уравнений 15-ого и 30-ого порядков соответственно. В прикладном плане впервые:

- выполнена многокритериальная оценка современного трофического статуса моря Бохай;

- реализована пространственно-неоднородная модель функционирования начальных и промежуточных звеньев пелагической экосистемы моря Бохай;

- на годовом временном интервале выполнены модельные оценки влияния циркуляции вод, концентрации тяжелых металлов, речного, берегового и атмосферного стока азота и фосфора на процесс эвтрофирования моря Бохай, а также - оценка самоочищения моря в процессах экологического метаболизма гидробионтов.

Практическая значимость.

1. В условиях ускоренного развития промышленности и сельского хозяйства Китая, повышенного внимания правительства к охране морских ресурсов и развитию акяахозяйства, анализ и прогноз возможного эвтрофирования моря Бохай имеет важное народнохозяйственное значение. Предложенная в диссертации методика может найти применение в создаваемой в Китае системе комплексного управления морским хозяйством.

2. Предложенная в работе имитационная модель водной экосистемы представляет собой рабочий инструмент для оценки причин и прогноза эвтрофирования внутренних морей, озер и водохранилищ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Реальный и виртуальный мир нового тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2002 г.); на научной сессии Даляньского политехнического университета (Китай, г. Далянь, 2004 г.); на итоговой научной сессии факультета география и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета (2005 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защичу: 1. Покомпонентный анализ современного состояния экологической системы моря Бохай и многокритериальная оценка трофического статуса его вод;

2. Конструкция и алгоритмическая реализация пространственно- неоднородной двухслойной имитационной модели водной экосистемы. Оценка влияния двух модификаций численного метода интегрирования уравнений модели и двух типов граничных условий на результаты моделирования;

3. Модельная оценка степени влияния речного, берегового и атмосферного стока биогенов, концентрации тяжелых металлов, ветровых и стоковых течений на процесс антропогенного эвтрофирования вод. Оценка самоочищающей способности экосистемы;

4. Прогнозные оценки процесса эвтрофирования вод моря Бохай при различных сценариях антропогенных нагрузок на его экосистему.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 255 страниц, в том числе 105 рисунков, 40 таблиц. Список литературы содержит 99 наименований.

Содержание работы 1. Общая концепция моделирования морских экологических систем

Основные этапы имитационного моделирования экосистемы. Конструирование и реализация модели моря Бохай включали в себя несколько этапов. 1 этап. Сбор, изучение и занесение в базу данных информации об экосистеме и се современном состоянии. Такая информация приводится во второй главе диссертации. 2 этап. Формулировка вербальной модели на основе данных экологического мониторинга и литературных данных. На этом этапе используется как дедуктивных, так и индуктивный методы познания. Конкретный вид вербальной модели представляет собой объединение теоретических воззрений с эмпирическими данными. 3 этап. Конструирование имитационной модели экосистемы. На этом этапе осуществляется математическая формализация вербальной модели, принимается ряд гипотез, упрощающих решение исходной системы уравнений, формулируются граничные условия и выбирается численный метод решения системы дифференциальных уравнений. Важнейшим этапом в конструировании имитационной модели является определение способов описания процессов экологического метаболизма. 4 этап. Имитационное моделирование на ЭВМ. На этом этапе алгоритм модели переводился на язык автоматического программирования Fortran. 5 этап. Оптимизация параметров модели и проверка ее адекватности системе - оригиналу. 6 этап. Анализ и прогноз развития реальной экосистемы с помощью ее имитационной модели.

Вербальная модель. Пространственно-неоднородные имитационные модели водных экосистем базируются на разделах теории сплошной среды, посвященных изучению движения многокомпонентных неконсервативных смесей.

Основными особенностями морских экосистем вообще и экосистемы моря Бохай в частности являются: трехмерная пространственная структура, относительная однородность физико-химических свойств среды обитания организмов, большая цодвижность водной среды, наличие одной зоны первичного продуцирования и двух зон регенерации биогенных элементов, высокие скорости процессов экологического метаболизма, обусловливающие быстротечность круговоротов веществ в экосистеме.

Экосистема состоит из отдельных компонентов. Компонентом системы называется ее наименьшая структура, еще обладающая чертами, выражающими главное качества системы. Компоненты обмениваются между собой веществом и энергией. Поэтому компонент - это всегда переменная величина, являющаяся функцией других компонентов, внешних воздействий, координат и времени. Количество компонентов в экосистеме очень велико. Поэтому родственные компоненты объединяются в экологически однородные группы. Основными агентами круговорота вещества в морской экосистеме являются микроскопические организмы: фито-, зоо- и бактериопланктон, на долю которых приходится до 90-95% продукции моря. Посюльку основным критерием эвтрофирования моря является повышение его продуктивности, в первом приближении, можно ограничиться рассмотрением только начальных и промежуточных звеньев трофической сети водного биоценоза, а из всех биогенных веществ рассматривать только те, которые лимитируют величину первичной продукции.

Экосистема моря Бохай не изолирована. Через «твердые боковые границы», через «жидкие боковые границы» с Желтым морем и водотоками, через границы раздела сред «вода-дно» и «вода-воздух» между экосистемой моря Бохай и соседними экосистемами происходит обмен энергией и веществом. Внешние воздействия на экосистему считаются заданными функциями координат и времени. К внешним воздействиям относятся: величина солнечной радиации на поверхности моря, атмосферное давление, ледяной покров, температура воды, минеральная составляющая мугаости воды, концентрации тяжелых металлов в воде, рН воды, потоки биогенных элементов в устьях рек и на границе с Желтым

морам, на береговой границе моря и на границе с атмосферой.

Схематизируя реальную действительность, можно выделить пять групп процессов, определяющих функционирование экосистемы моря Бохай:

- Процессы экологического метаболизма. Они определяют биохимические превращения энергии и вещества в ходе обмена между компонентами биоценоза и биотопа.

- Динамические процессы. Они определяют механическое перемещение взвешенных и растворенных компонентов экосистемы по акватории моря, создают транзитные, застойные и фронтальные зоны. К динамическим процессам относится, также, гравитационное осаждение взвешенных компонентов.

- Физические процессы. Они оказывают стимулирующее или угнетающее влияние на продукционные и деструкционные процессы в экосистеме.

- Процессы обмена веществом и энергией через границы бассейна.

- Антропогенные нагрузки на экосистему.

2. Современное состояние экосистемы моря Бохай, ее компоненты п внешние

воздействия.

Физико-географическая характеристика моря. Меридиональная протяженность моря составляет 511 км, а протяженность в широтном направлении - 322 км. Связь моря Бохай с Желтым морем осуществляется через проливы Лаотешань и Бохайхайся. Характеристики основных районов моря приведены в таблице 1.

Таблица\. Площадь и максимальная Шубина различных районов моря Бохай.

районы моря площадь, kmz максимальная глубина, м название впадающих рек

Ляодунский залив 32500 35 Ляохе, Луаньхе

залив Ьохайвань 13 000 25 Хайхе,Хуанхе

Лайчжоуский залив 10 500 20 Хуанхе

центральная часть моря 22200 40

зона проливов 5 900 72

Небольшие площадь (84100 км2) и объем вод (1710 км3), малые глубины (в среднем 21 м) и ограниченный водообмен с Желтым морем являются факторами, способствующими эвтрофированию моря Бохай.

Для климата региона, в котором расположено море, свойственны холодная сухая зима и влажное теплое лето. Температура воздуха над морем в течение года изменяется от 28°С ( в июле - августе) до -10°С (в феврале). В течение зимнего сезона (с ноября по март над морем преобладают сильные северо-западные муссоны (среднемесячная скорость ветра 6-8 м/с). В мае начинается юго-западный муссон.

Физико-динамические характеристики биотопа. Термический режим моря складывается в первую очередь под влиянием радиационных факторов. Водообмен с Желтым морем имеет второстспешюе значение. В поверхностном слое моря минимум температуры наблюдается в феврале и колеблется от -1° до 0°С. Весенне-летний прогрев толщи вод начинается с мелководных заливов. Здесь температура воды на поверхности в мае достигает +14°-+17°С, а в придонном горизонте - +12°—И6°С. К августу прогревается вся толща вод моря. В устьевых зонах заливов в придонном горизонте температура воды поднимается до +24°-+26°С, а в центральной части и в проливах моря - до +18°-+ 20°С.

Соленые воды поступают в море через пролив Лаотешань из Желтого моря. В зоне проливов а в открытой части моря Бохай соленость достигает 30-32%». В заливах соленые воды частично трансформируются под влиянием речного стока. Соленость здесь изменяется от 28 до 22/оо.

Мдж/м -сутки

а-по атласу;

б - при натурной облачности

51 101 151 201 251 301

Рис. 1 Результаты расчетов солнечной радиации на

поверхности моря Бохай с учетом влияния местных метеорологических условий, сутки 351

Сильные ветры и малые глубины обеспечивают интенсивное волновое и турбулентное перемешивание вод моря от поверхности до дна. Термо-, гало- и пикноклин большую часть года в море не наблюдаются. Интенсивный прогрев водной толщи является важным фактором, способствующим эвтрофировшшго моря Бохай.

Под влиянием резко континентального климата прибрежные, особенно северные районы моря на протяжении четырех месяцев покрыты сплошным ледяным покровом. Толщина льда колеблется от 30 до 40 см.

В атласс теплового баланса океанов для различных широт приводятся значения среднемесячных дневных интегралов суммарной солнечной радиации на поверхности океана. Однако эти данные не отражают региональные особенности отдельных прибрежных морей. Поэтому были рассчитаны ежесуточные интегралы суммарной радиации на поверхности моря Бохай с учетом климатических особенностей этого региона (рис. 1).

Подводная освещенность вод моря Iz рассчитывалась по уравнению h - 0,51<>ег, где /„ - освещенность на поверхности воды, у -коэффициент экстинции. Коэффициент 0,5 отражает долю

фотосинтетически активной радиации в суммарной солнечной энергии. Коэффициент экстинции определялся по формуле Гершуна, связывающей эту величину с прозрачностью воды. В осенне-зимний период прозрачность вода на всей акватории моря составляет 1-3 м, в весенне-летний период в открытом море и в зоне проливов она увеличивается до 4-10 м, а в заливах по прежнему остается очень низкой - 1-2 м.

В апреле, мае, в период весенней вспышке развития водорослей толщина фотосинтетически активного слоя моря нигде не превышает 2,5 м. Это позволяет сделать вывод о том, что низкая освещенность вод является основным фактором, сдерживающим процесс первичного продуцирования в море Бохай.

Основными факторами, формирующими систему течений моря, являются: водообмен с Желтым морем через проливы; изменчивость синоптических условий над акваторией моря; распространение приливной волны из Желтого моря и речной сток. В море Бохай через пролив Лаотешань на протяжении всего года поступает вода так называемого «Теплого течения Желтого моря», являющегося частью теплого Цусимского течения. На акватории моря течение образует циклоническую циркуляцию, которая усиливается речным стоком.

Химические компоненты биотопа. Рисунок 2 иллюстрирует временную изменчивость среднегодовых концентраций суммарных минеральных фосфора и азота в море Бохай. Видно, что по сравнению с i960 г., в период 1982-1998 гг. концентрация неорганического фосфора в море снизилась в 2-3 раза, а к 1998 г. - в 9 раз и составляло лишь 1 mmol/m3. Концентрация минеральных форм азота в период 1982-1998 гг. увеличились в 12 раз от 1 mmol/m3 до 12 mmol/m3.

Отношение концентраций азота и фосфора является показателем степени эвтрофирования водоемов. Для олиготрофных и мезотрофных водоемов отношение N/P колеблется в пределах 30-40 и 25-30 соответственно. Для эвтрофных водоемов, находящихся под сильным антропогенным воздействием, отношение N/P изменяется в пределах 15-25, а для

гапертрофных водоемов - 12-15. Отношение концентраций ШР в различных частях моря Бохай и трофический статус вод, определенный "по нему, представлены в таблице 2. Видно, что по критерию И/Р трофический статус моря Бохай в период 1992-1998 гг. улучшается. Усиление процесса эвтрофирования вод за период с 1992 г. по 1998 г. имеет место только в заливе Лайджоувань.

Отношения А'/Р используются также для оценки лимитирующих влияний азота и фосфора на развитие водорослей. При МР< 10 лимитантом первичной продукции в водоеме является азот. При 10<Л№<17 имеет место одновременная лимитация биосинтеза азотом и фосфором. При Ы/Р> 17 развитие водорослей лимитируется фосфором. Из таблицы 2 видно, что в период 1992 - 1998 гг. произошла смена лимитанта первичной продукции с азота на фосфор.

Таблица 2. Межгодовая изменчивость отношения концентраций N/P и оценка трофического __статуса по нему в различных частях моря Бохай.___

годы залив Лайджоувань залив Бохай ваш. Ляодунский залив центральная часть все море

1992 соотношение N/P 28 20 10 8 12

трофический статус мезотроф. эвтроф. гипертроф. гипертроф. гипертр.

1998 соотношение N/P 22 25 43 17 23

трофический статус эвтроф. эвтроф. олиготроф. эвтроф. эвтроф.

Компоненты биоценоза. Фитопланктон в море Бохай изучен недостаточно. Не составлены списки доминирующих и типичных видов для различных районов моря и сезонов года. Сведения о суммарной биомассе водорослей отсутствуют. В связи с этим для комплексной характеристики фитопланктона могут быть использованы только карты пространственного распределения хлорофилла «а» в различные сезоны года. Воспользовавшись планктонными эквивалентами, связывающими концентрацию хлорофилла «а» с биомассой водорослей, получим, что в море Бохай зимой биомасса фитопланктона составляет 0,5-1,5 мг/л, весной - 0,5-2,0 мг/л, летом - 0,5-2,5 мг/л, осенью - 1,0-2,0 мг/л. Принадлежность моря Бохай к умеренному климатическому поясу с резко выраженными сезонными явлениями обусловливает значительную сезонную динамику планктонного сообщества. Зимний биологический сезон в море начинается в декабре и длится по март. В это время основу биомассы зоопланктона составляют половозрелые хопеподы и старшие колеподитиые стадии. Общая численность организмов невысока. Весной, в апреле - мае происходит существенное увеличение численности младших копеподашых стадий. Пики численности у различных видов копепод приходятся на июнь - август. Осенью, по мере похолодания численность зоопланкгеров значительно снижается. Зимой биомасса зоопланктона оценивается величинами 0,05-0,15 мг/л, весной - 0,05-0,2 мг/л, летом - 0,05-

1960 1970 1980 19И 2000

Рис. 2. Временная изменчивость среднегодовой концентрации суммарных минеральных фосфора и азота в море Бохай. (пунктирной линией - фосфор, сплошной линией - азот).

0,24 мг/л, осенью - 0,1-0,2 мг/л.

Бактериальная биомасса в поверхностном слое моря Бохай оценивается весной 170- 240 мгС/м3, а осенью - 150-230 мгС/м3. Среднесуточная продукция бактерий весной составляет 110-150 мгС/м3 •сутки, а осенью - 90-140 мгС/м -сутки.

Водообмен через границы бассейна. Водный баланс моря Бохай складывается из речного стока, водообмена с Желтым морем, атмосферных осадков и испарений. Годовой объем стока рек в море составляет 68 км /год, объем вод, поступающих из Желтого моря в Бохай, оценивается величиной 1102 км3/год, объем стока в Желтое море - величиной 1130 км3/год, объем атмосферных осадков над акваторией оценивается величиной 45 км3/год, а испарения с поверхности - 85 км3/год. Таким образом, суммарный приток воды в море Бохай составляет (1102+68+45)=1215 км3/год, а суммарный вынос воды - (1130+85)=1215 км3/год.

Массообмен через границы бассейна. Со стоком крупных рек в море поступает 78*103 т/год нитратов, 92* 103 т/год аммонийного азота, 1,1*10 т/год фосфатов; со стоном малых рек и береговым стоком в море поступает 85*105 т/год нитратов, 188*103 т/год аммонийного азота, 2,4*103 т/год фосфатов; морские течения через пролив Лаотешань вносят в море Бохай из Желтого моря 46*103 т/год нитратов, 14*103 т/год аммонийного азота, 16*103 т/год фосфатов; а выносят в Желтое море через пролив Бахайхайся 43* 103 т/год нитратов, 13*103 т/год аммонийного азота, 10* 103 т/год фосфатов; с атмосферными осадками в море поступает 21*103 т/год нитратов, 62*10' т/год аммонийного азота, З,4*103 т/год фосфатов. Таким образом, баланс для нитратов оценивается 187*103 т/год, аммония - 343*10 т/год, фосфатов - 12,9* 103 т/год. В соответствии с определением понятия «эвтрофикация» положительные значения этих балансов уже сами по себе могаи бы служить доказательством эвтрофикации моря Бохай.

С промышленными и бытовыми стоками в море Бохай ежегодно поступает около 1000 т свинца, 8000 т кадмия и 3 т ртути. Основными источниками тяжелых металлов в море являются промышленные предприятия, расположенные в прибрежных зонах и на водосборе моря.

3. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай

Для оценки пространственной изменчивости трофического статуса и пространственно-временной изменчивости качества вод моря Бохай использована картографическая информация из атласов, в которых карты составлены по многолетним рядам наблюдений.

Ввод картографической информации в ГИС (Mapinfor) выполнен в матричной форме с помощью сканера. Процедура векторизации изолиний характеристик осуществлена с помощью монитора В ходе ее выполнения в памяти ЭВМ формируется совокупность триад (значение характеристики, широта, долгота), в итоге определяющая пространственную изменчивость поля векторизуемой характеристики. Значения характеристик в узлах регулярной сетки определялись путем интерполяции данных соответствующих триад в ГИС (Arc View).

Понятия трофического статуса водоема и качества его вод взаимосвязаны. Антропогенное повышение трофического статуса, выражающееся в увеличении биологической продуктивности водоема, вызывается обогащением вод биогенными веществами, поступающими с бытовыми и промышленными стоками, а также с поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение продуктивности приводит к «цветению воды» и, как следствие этого, - к вторичному загрязнению водоема органическими веществами.

Термином «качество воды» обозначается сочетание химического и биологического составов и физических свойств воды, определяющих ее пригодность для конкретных видов водопользования. В этом определении отражается антропоцентрический подход к понятию

качества воды. Расширение понятая достигается добавлением условия необходимости соответствия воды требованиям охраны окружающей среды, что отражает геоцентрический подход к качеству воды.

Однако категории «трофический статус» и «качество вод» существенно отличаются. Качество вод — это динамическая категория. Оно может изменяться практически мгновенно под влиянием того или иного антропогенного фактора или группы факторов и определяться по данным одной экспедиционной съемки. Трофический статус - более статичная категория, непосредственно связанная с процессами энерго- и массообмена в экосистеме. Он обычно находится по осреднснным на значительном временном интервале рядам наблюдений.

Море Бохай во многом сходно с Финским заливом. Это выражается в широтном положении, значительной степени замкнутости, малых глубинах, небольшой прозрачности вод, существенном влиянии речного стока на гидрологический режим, значительных антропогенных нагрузках на водную экосистему. Особенно велико сходство между восточной частью Финского залива и заливами Ляодунский, Бохайвань, Лайчжоувань, в которые впадают крупные реки. Поэтому при выборе градаций признаков трофности и качества вод моря Бохай за основу приняты градации, использованные в работах В.В. Дмитриева и соавторов для восточной части Финского залива.

Вероятность ошибочной идентификации трофического статуса и качества воды может быть очень высокой при использовании малоинформативных для данного типа водоема (замкнутый или проточный), сезона года или климатической зоны классификационных признаков и их градаций. К существенным ошибкам может привести определение трофности по данным наблюдений одной экспедиционной съемки, сезона или года. Дефицит и неопределенность информации, связанные со значительной внутригодовой и внутрисезонной изменчивостью экологических характеристик, могуг быть частично преодолены при использовании для оценки уровня трофности и качества вод метода сводных показателей, который был предложен акад. А.Н. Крыловым для многопараметрического анализа живучести проектируемых военных кораблей. Для решения экологических задач этот метод адаптирован В.В. Дмитриевым и Н.В. Ховановым.

Пространственная структура задачи распознавания позволяет при задании весовых коэффициентов учитывать региональные особенности внешних воздействий на экосистему. Результаты распознавания считаются достоверными лишь для тех районов моря, для которых приняты экологически обоснованные значения весовых коэффициентов классификационных признаков.

Результаты распознавания пространственной изменчивости трофности моря Бохай по смысловым сценариям значимости весовых коэффициентов для совокупности групп признаков оказались почти одинаковыми. Результаты оценки трофического статуса по одному из сценариев представлены в рис. 3. Весовые коэффициенты гидрохимических и гидробиологических признаков в этом сценарии приняты равнозначными: Рг.х = Рг.ф = 0,45, а гидрологических Р,.ф = 0,1. Видно, что воды заливов Ляодунского, Бохайвань и Лайджоувань относятся к мезотрофному типу, а центральная часть моря и район проливов - к олиготрофному (рис. 3).

Многокритериальная оценка качества воды показала следующее. Весной воды заливов и район проливов относятся к классу «чистые», а центральные части моря - к классу «очень

Рис. 3 Цифровые модели многокритериальной оценки трофического статуса моря Бохай. Статус: 1-олиготрофный, 2-мезотрофный

чистые». Летом ареал очень чистых вод расширяется и захватывает мористую часть заливов и проливы. Осенью качество вод моря снижается, и они классифицируются почти повсеместно как «чистые». Зимой вся морская акватория занята «умеренно-загрязненными» водами.

4. Балансовые имитационные модели годового цикла развития экосистемы моря Бохай.

Жизненный цикл большинства планктонных организмов очень короток. На протяжении года сменяются многие поколения организмов, которые безвозвратно теряют энергию и многократно используют вещество. Происходит постоянный круговорот химических элементов, интенсивность которого проявляется во внутрисезонной и внугригодовой изменчивости биомасс компонент биоценоза и концентраций компонент биотопа. В связи с этим при моделировании химико-биологического комплекса экосистемы целесообразно использовать не категорию энергии, а категорию вещества.

В качестве компонентов химико-биологического комплекса модели водной экосистемы моря Бохай примем: Р - сухая биомасса суммарного фитопланктона; 1 - сухая биомасса суммарного зоопланктона; В - суммарный бакгериопланктон, осуществляющий ферментативный гидролиз детрита; £>г, - детрит лабильный - взвешенное в воде неживое органическое вещество, подверженное активному бактериальному гидролизу; £>е - детрит стойкий - водный гумус; С, N. Р- углерод, азот и фосфор, входящие в состав растворенных в воде органических веществ; NN4, NОг, NОз - аммонийный, нитритный и нитратный азот растворенных в воде минеральных веществ; РО> - фосфор фосфатов; X - вещество сухого остатка; СОг - углерод, содержащийся в растворенной в воде двуокиси углерода; 02 -растворенный в воде молекулярный кислород.

Используя принятый в механике силовой способ описания движения, в качестве компонентов физико-динамического комплекса модели экосистемы примем классический набор гидродинамических характеристик. Температуру (¿°)> освещенность на поверхности моря (/й), атмосферное давление (Ра) и скорость ветра (IV) будем считать известными функциями координат и времени, то есть рассматривать как внешние воздействия.

Модель экосистемы функционирует следующим образом (рис. 4).

1. В процессе первичного биосинтеза (Б?), который складывается из фотосинтеза и минерального питания водорослей, происходит рост и деление клеток фитопланктона. 2. В процессе трат на дыхание (7) все компоненты биоценоза поглощают растворенный в воде кислород и выделяют двуокись углерода. 3. В процессе питания юнеументов (О) их биомасса растет, а биомасса первичных продуцентов, бактерий и детрита снижается. 4. Все организмы подвержены естественной смертности (£!). 5. Все организмы выделяют в среду твердые и жидкие отходы своей жизнедеятельности (Э). 6. Зоопланктеры в процессе питания часть пищи отбрасывают (0). Отброшенная пища в виде твердых и жидких остатков пополняют запасы детрита и РОВ. 7. В процессе бактериальной деструкции детрита (Д) часть его массы расходуется на создание валовой продукции бактерий. Другая, большая часть массы детрита в ходе внеклеточного бактериального гидролиза (Г) разлагается до растворенных органических соединений. 8. Растворешше органические вещества подвергаются минерализации (М). 9. Минеральные элементы расходуются на нужды биосинтеза водорослей. Их недостаток лимитирует развитие фитопланктона.

Для мелководных прибрежных районов моря Бохай, с глубиной менее 10 м реализована система уравнений:

где Р=(с„с2,...,с]:!) = (Р, 2, В, Пс, С, Л', Р, N11 ^ N0.,, КЦ, РО„Х, СОг, 02) вектор-функция

(1)

компонентов биоценоза и биотопа.

В развернутой форме система (1) имеет вид:

= £> - б/гг - 5/.-- Л/г;

а йв л

= Вп-Эв- йвг-Кв; = + $71>1 + + Огоь

+ Фгт - Оои-Дои:

—Г~ = + &20С + Б вое + 0?.ос

+ Фгос - О кг -Досг;

—— = Гвс + Эвс + Эгс + Эвс Л

+ 2с-Мс;

—— = Рвы + ЭвN + Эвн Л

+ QN-MN;

ИР

—— = ГВр + Эш> + Эгр + Эвр сИ

(¡[N11,]

¿и

с1[Ю2]

4т, ] л

4^1

= Мы + Эгит + Оыт

- Мши - Бтт;

= Мит + йыог - Мцог

- Б тог;

= Мюг + йыоз - Б рыт ;

= Мр + Эгрол + Яро* - Бгрол ;

Рис. 4. Взаимодействие компонентов модели экосистемы моря Бохай

<1Х

а[со,

¿1

— = Мс + Тког + Твсог + Тгсог - &рс02 £Л<2со2;

, = Рвх + Эрх + Эгх + Эвх - Бгх; т

=Бтз - (М02 + ТМ2 + ТВ02 + Тго2) , (2)

здесь Бр = Бтш + Бгыог + Б^оз + Брро4 + Брх + Бког; Лг =Эгс +Экл> +Эи> +Эю + Ттсо2 ;

= + ; Й2 = Эгс + Эщ + Эд> + Эгх + Эьчщ + Эжм + Тгсог; - 5гси + Бгос; С/г + Свг + Сои + Олег ~ Аг + Фгы. + Фгос + 0?х>1 + Огос> 5» = + Згос; Яв - Эгс + Эвн + Эвр + Эадг + Твсог; Дом + Доев = Во + Ас + Гвы + Гвр + Гвх •

Для учета вертикальной неоднородности распределения компонентов экосистемы

открытых районах моря Бохай, с гаубицами более 10 м использована двухрезервуарная модель, в которой резервуары отражают двухслойную вертикальную стратификацию вод моря. Систему уравнений двухрезервуарной модели запишем в форме:

¿и

1,2,..., 15 , (3)

где с"' = (с!">с<".....Ф =

векторы-функции биоценоза и биотопа верхнего и нижнего слоев моря. Функции ф^ и

описывают химико-биологические превращения вещества в экосистеме. Функции ц/'р и у/'р - процессы переноса вещества, обусловленные вертикальной турбулентной диффузией компонентов и гравитационным осаждением взвешенных субстанций. Надстрочные индексы при компонентах и функциях указывают на их принадлежность к верхнему и нижнему слоям.

Для проверки степени соответствия модели экосистемы моря Бохай системе-оригиналу по критерию адекватности использованы данные о временной изменчивости концентрации минеральных биогенных веществ в трех, в достаточной мерс изолированных друг от друга, заливах моря: Ляодунском, Бохайвань и Лайджонском. В период с 1982 по 1998 гг. в этих заливах произошла ассинхронная перестройка продукционного звена экосистемы, выразившаяся в смене биогенного элемента, лимитирующего процесс первичного продуцирования органического вещества. Отношение суммарного минерального азота к суммарному минеральному фосфору изменилось от 0,7-1,8 в 1982 г. до 22-33 в 1998 г. Это феноменальное явление, связанное, по-видимому, с интенсификацией сельскохозяйственного производства, представляет интерес с двух точек зрения.

Во-первых, появляется возможность тестировать имитационную модель с использованием независимой натурной информации для трех районов моря с изменяющимися начальными условиями и внешними воздействиями на экосистему, но при неизменных численных значениях параметров, ответственных за описание скоростей процессов экологического метаболизма и деструкции вещества.

Во-вторых, изучение реакции морской экосистемы на смену биогенного лимитанта первичной продукции методом математического моделирования представляет существенный интерес само по себе.

При решении тестовых задач для заливов моря Бохай начальные условия для системы уравнений (I), (3) отнесены к началу года (первому января) - времени стагнационного состояния экосистемы. В качестве начальных условий для компонентов РОц, N02, NОз, ЫЩ были приняты среднегодовые концентрации этих характеристик. Начальные условии для биомасс фито-, зоо- и бакгериопланктона принимались по натурным данным. При задании начальных концентраций азота и фосфора, входящих в состав растворенных органических соединений, использовались отношения вида N/N0^, Р/РО^, характерные для экосистемы Финского залива. Начальные концентрации лабильного и стойкого детрита, органического углерода, СОг, Ог и вещества X припяты такими же, как в Финском заливе.

Ежесуточные значения температуры воды в каждом из заливов получены методом интерполяции ежемесячных значений, снятых с карт распределения температуры. Годовой ход освещенности поверхности моря рассчитывался теоретически. Минеральная составляющая мутности воды всюду принята постоянной и равной 5 мг/л. Ежесуточные значения скорости ветра и атмосферного давления получены путем интерполяции ежемесячных значений этих характеристик и приняты одинаковыми для всех трех заливов

моря.

Константы функциональных зависимостей, ответственных за описание интенсивностей процессов экологического метаболизма и деструкции вещества, во всех тестовых задачах приняты неизменными.

Оценки степени близости натурных и смоделированных концентраций биогенов представлены в таблице 3.

Таблица 3. Относительная и средняя относительная погрешность вычисленных среднегодовых концентраций суммарных минеральных азота (N2) и фосфора (Р£) в заливах

моря Бохай (мг/л)

заливы годы Р*. отношение ЛУДг

нат. выч. погр.(%) нат. выч. погр.(%) нат. выч. погр.(%)

1982 0,019 0,0182 -4,2 0,028 0,0283 +1,1 0,6786 0,6431 -5,3

залив 1992 0,0355 0,0335 -5,6 0,004 0,0043 +7,5 8,875 7,79 -11

1998 0,167 0,1725 +3,3 0,005 0,0047 -6 33,4 36,7 +9,9

залив Бохайвань 1982 0,0224 0,0223 -0,4 0,032 0,0313 -2,2 0,7 0,712 +1,7

1992 0,0778 0,0705 -9,2 0,006 0,0057 -5 12,97 12,37 -3,6

1998 0,134 0,138 +3,0 0,006 0,0063 +5 22,33 21,91 -1,9

Лайджо-уский залив 1982 0,04261 0,0378 -11 0,024 0,0236 -1,7 1,775 1,602 -9,8

1992 0,0826 0,0804 -2,6 0,005 0,0044 -12 16,52 18,27 +10

1998 0,144 0Д60 +11 0,007 0,0073 +4,3 20,57 21,92 +6,6

средняя относительная погр.(%) -1,7 -1,0 -0,4

Модельные эксперименты хорошо воспроизводят процесс смены биогенного лимитанта развития водорослей (рис. 5-6). Видно, что в 1982 г., когда по данным наблюдений лими-тантом являлся азот, модельная вспышка развития фитопланктона снижает концентрацию всех минеральных соединений азота почти до нуля. В тоже время концентрация фосфора почти не изменяется. В 1998 г., по данным моделирования, вспышка развития водорослей сопровождается резким падением концентрации фосфатов, а концентрация азотосодержащих биогенных веществ почти не изменяется. Весеннее цветение водорослей в заливах Лайчжонском и Бохайвань начинается в середине апреля почти одновременно. Биомасса фитоплашегнеров достигает в это время величины 0,70-0,85 мг/л. В Ляодунском заливе, расположенном в северной части моря, вспышка развития водорослей происходит на 2-3 недели позднее.

В любой водной экосистеме фитоценоз неоднороден по таксономическому составу и в модели, вообще говоря, следует учитывать эту неоднородность. Однако, при современной изученности фитопланктонного сообщества моря Бохай реализовать такую модель невозможно. Известно, что холоднолюбивые диатомовые водоросли занимают значимое место в таксономической структуре фитоценоза моря Бохай. Для того, чтобы хотя бы качественно оценить влияние дифференциации фитопланктонного сообщества на результаты моделирования экосистемы, были реализованы две группы моделей:

1. точечные и двухрезервуарные по вертикали балансовые модели развития экосистемы с недифференцированным на экологически однородные группы фитоценозом (с суммарным фитопланктоном). Эти модели сформулированы в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений 15-ого и 30-ого порядков.

2. точечные и двухрезервуарные модели развития экосистемы с дифференцированным на две экологически однородные группы фитоценозом. Такие модели сформулированы в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений 16-ого и 32-ого порядков.

8 9101112

Рис.5 Сопоставление результатов внутригодовой изменчивости биомассы (массы) компонентов в различных заливах моря Бохай в 1982 году (мг/л). а, б- фито-, зоопланктон; в - нитраты; г - фосфаты.

8 9101112

Ляодунский залив ■ залив Бохайвань Лайджоуский залив

Рис.6 Сопоставление результатов внутригодовой .......Ляодунский запив

изменчивости биомассы (массы) компонентов -залив Бохайвань

в различных заливах моря Бохай в 1998 году (мг/л). -Лайджоуский залив

а, б - фито-, зоопланктон; в - нитраты; г - фосфаты.

Анализ результатов моделирования показывает, что введение в модель группы холоднолюбивых диатомовых водорослей приводит к смещению весенней вспышки развития водорослей с середины апреля на начало марта. Зимняя биомасса фитопланктеров становится в 2-3 раза большей. Весеннее цветение водорослей растягивается по времени на 4 месяца. А осенняя вспышка их развития продолжается до конца декабря. Однако указанное изменение годового цикла развития первичных продуцентов не приводит к значимой перестройке годового цикла развития экосистемы в целом. Об этом свидетельствуют; в частности,

графики годового цикла развития зоопланктона - основного потребителя первичной продукции.

5. Пространственно-неоднородная имитационная модель экосистемы моря Бохай

Введем обозначения для осредненных компонент и функций по глубине: " 1 « 1 к н _ ", _

J<vfc = c,tf; Jwcfe; V^j-\vdz ; [¿(cV",.-;*,.^,/)^^,//; J,

о H о " о t> о

где u,v- скорости течения по координатам х, у.

Для мелководных слабо стратифицированных по глубине районов моря Бохай, целесообразно использовать пространственно-неоднородную осредненную по глубине модель экосистемы: дс, дйс, dvc д 8с д . . дс, -

1,7 + + ^Г "" X") ~ (Л "Г") = Щ, (4)

от ох ду ох дх ду оу

где Ah и Аг, - коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии

компонентов экосистемы.

Опуская в дальнейшем знаки осреднения и полагая с, = с„ Ф,= Ф,, it - и, v-v, систему

уравнений (4) запишем в виде:

дс, duc. dvc, , д2с, d2c,s

Правые части системы уравнений (5) те же, что в системе (1). На «твердых» границах моря ставятся краевые условия:

первого рода: с\ [ = с, (х, y t) (6)

дс,

или третьего рода: А„ —- + (Q„ )и = 0 (7)

На «жидких» границах, ассоциирующихся с устьями рек, ставятся краевые условия:

первого рода: с\ | жг = с, (х, у, /) (8)

дс

или третьего рода: А,, —- и „с, + (Q,t )с, = 0, (9)

где (Qa)c< и (QK)tl- поток субстанций на «твердой» и «жидкой» границах; и„ - нормальная к

боковой границе составляющая скорости течения; п - внешняя нормаль к границе бассейна.

Для приближенного учета вертикальной неоднородности распределения компонентов

экосистемы в районах моря с глубинами более 10 м реализована двухслойная

пространственно-неоднородная модель:

дс? duc'® Эиг® , ,дгс? д2с™ _J_ + н--!--А (-1— + — i

dt дх ду ,л дх2 дуг

дс? duc? dvc? , S1 с? d2cf>, „. ,,, ,71 ,n ,„

ф' (>-'х>У>{^1 V1,m,..;x,y,t) (10)

Ежемесячные поля ветровых и стоковых течений, ответственные за адвективный перенос компонентов экосистемы, рассчитываются методом полных потоков В.Б. Штокмана путем решения краевой задачи для бигармонического уравнения, записанного для функции тока.

+ (И)

дх4 дх 1ду- ду* Vi. ох ду'

где <р - функция тока, связанная с составляющими полного потока Ф*, <1^ соотношениями:

(12)

ч • V..: \ \ •. ч - / \ с ; л .; \\\-.-<1 ч;

■V; / гна!

? ^ У ,

* ду ] * & {

Значения скоростей ветрового течения в море изменяются в различные месяцы года от 0,1 до 40 см/с. Характерное значение скорости стокового течения - 0,1-0,2 см/с. Характерное значение скорости течения, вызванного водообменом через проливы, -1-2 см/с (рис. 7). При моделировании значение коэффициента горизонтальной турбулентной вязкости воды принято равным /ц = 5*106 см2/с, для коэффициента вертикальной турбулентной вязкости воздуха принято значение у'=104 г/(см-с).

При численном

интегрировании системы уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных компонентов экосистемы (5) и (10) адаптирован предложенный Г.И. Марчуком метод

шестиэтапного расщепления дифференциальных уравнений в частных производных.

Поля биомассы

фитопланктона, полученные путем

численного решения уравнений с

использованием шестиэтапного метода расщепления с

граничными условиями первого рода, показаны на рисунке 8. Видно, что вспышка развития

фитопланктона в море Бохай начинается в середине апреля в юго-западной части бассейна Рис■ 8 Пространственное распределение биомассы фитопланктона - в заливе Бохайвань, в верхнем слое моря Бохай (в мг/л). а - в апреле; б- в мае куда впадает река Хайхе, а затем - в южной части - в заливе Лайчжоувань. Это связано с тем, что, с одной стороны, оба залива находятся на более низкой широте, а с другой, - с тем, что устья рек Хуанхе и Хайхе выносят много биогенных веществ. В Ляодунском заливе, расположенном в северной части моря, куда впадает река Ляохе, развитие водорослей начинается в середине мая. Затем начинается цветение воды вдоль побережья моря, куца биогенные элементы выносятся грунтовым стоком. И, наконец, в конце мая цветение возникает в центральной части моря и в проливе Бохайхайся.

Для оценки степени сходства результатов моделирования систем уравнений с граничными условиями первого и третьего рода выполнено вычисление коэффициентов корреляции

Рис. 7 Характеристика суммарного ветрового и стоковых течений в море Бохай. а) - векторная карта суммарного течения в июле; б) - функция тока суммарного течения в июле.

временных рядов для каждой из 288 точек сеточной области, аппроксимирующих конфигурацию берегов моря Бохай. Коэффициенты корреляции во внутренних точках сеточной области в верхнем слое по биомассе фитопланктона и концентрации фосфатов колеблются от 0,95 до 1,00, в нижнем слое - от 0,99 до 1,00. В береговых «твердых» и, особенно, в «жидких» точках, идентифицирующих впадающие реки, результаты решения уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций с граничными условиями третьего и первого рода различаются. Сравнение результатов моделирования виутрнгодовой изменчивости биомассы фитопланктона с граничными условиями первого и третьего рода в «жидких» граничных точках показывает, »по при использовании граничных условий третьего рода вспышка развития водорослей в устьях рек наступает в более поздние сроки.

Таблица 4. Потоки и баланс вещества в пространственно-неоднородной имитационной ____модели экосистемы моря Бохай за год (* 105 т/год)._______

компоненты потоки вещества приход, составл. баланса расход, составл. баланса невязка баланса

Р BF Gfz SF Rf 3680 3677 3

3680 -1440 -1500 -737

2 Ару Abz А dk Adc7. 5г Rz 1072 1067 5

776 187 6i,г 42,1 -279 -788

В Во Sb Gb7. Rh 2290 2296 -6

2290 -404 -292 -1600

Sfbi S?m Sbdi OzDI Фш Gm/. Rdib 1918 1930 -12

863 161 232 244 4. J-J СО U -210 -1720

1>с Sroc SzDc SrDc Ozoc Фгос Gnu дйсв 1263 1271 -8

637 119 172 26,3 309 -131 -1140

С Гвс Эк Э2С Эвс Qc Mc 526 521 5

285 49,3 52,7 107 32,3 -521

N ■Пот Эт Эвы Qu MN — 271 277 - 6

50,3 64,8 13,9 141 1,08 -277

Р Гвр ЭРР Эге Эвр Qp MP 39,7 40,3 0,6 2

6,83 8,84 И/731 0,035 -40,3

ЛИ, MN 3zNH4 Qmt Миш SpNH4 336 334

277 55,5 3,49 -136 -198

NО2 MNH4 Qnm Mü02 Bf>!02 136 134 2

136 0,03 -125 -8,6

N0} Mnoi Q.NOi Беыоз ----- 127 118 9

125 1,89 -118

Р04 Mr Эгро4 QfOi Efp04 45,1 44,2 0,9

40,3 4,73 0,074 -44,2 __

СОг Mc ТУсог Твс02 t/jc02 l'fc02 AQcoi 2044 2046 -2

691 319 693 341 -1840 -206

Ог б¡02 Mo7 Тюг Тв02 Tz02 AQ02 6450 6457 -7

6450 -1610 -975 -2120 -1040 -712

X Гвх 228 ЭРХ Эгх Эвх Efx — _ 1478 1470 8

295 315 640 -1470 ______

Приведенные в таблице 4 годовые интегральные потоки вещества относятся к «базовому» варианту модели и получены путем численного решения системы дифференциальных уравнений (5), (10) с граничными условиями первого рода (6) и (8) методом шестиэтапного раыцеплеиия. Годовые интегралы представляют величину вклада отдельного процесса в общей баланс вещества в экосистеме. Сумма приходящих к компоненту «элементарных» потоков образует приходную составляющую баланса вещества. Суперпозиция приходной и расходной составляющих образует невязку баланса, которая характеризует прирост массы компонента за год. Она может быть как положительной, так и отрицательной.

Анализ таблицы 4 показывает, что приходные и расходные составляющие балансов почти уравновешивают друг друга. Это свидетельствует о том, что скорости процессов экологического метаболизма и деструкции вещества в модели определены корректно и не вызывают избыточных накопления или убыли массы отдельных компонентов.

Суммы положительных и отрицательных невязок балансов масс компонент равны соответственно +35*105 т/год и -33*105 т/год (без учета СО2 и Ог). Общая невязка баланса масс компонентов пространственно- неоднородной модели экосистемы составляет +2*105 т/год. Такая невязка может быть отнесена за счет ошибок округления приведенных в таблице «элементарных» потоков.

Таким образом, таблица 4 помимо ее смысловой нагрузки иллюстрирует выполнение закона сохранения вещества в пространственно-неоднородной модели экосистемы моря Бохай.

В соответствии с таблицей 4, оценка самоочищения по величине отношения деструкции (D = Rf+Rz+ Rb) к продукции {Р = В/.) (D/P-отаошение) в море Бохай составляет: D/P = (737*105 т/год + 788*105 т/год + 1600*10s т/год) / 3680* 105 т/год = 0,85.

Такая величина D/P означает, что экосистема моря Бохай в значительной степени не справляется с нагрузкой, то есть она продуцирует больше органического вещества, чем может его разложить.

С помощью пространственно-неоднородной модели можно оценить также следующие биологические процессы самоочищения моря Бохай:

- биологическая трансформация взвешенных органических веществ в растворенные органические вещества за год составляет:

(ßzc + Э-гы + Эд>) + (Гвс + Fbn + Гвр + Эвс + Эвы + Эвр ) + (Эре + 3fn + 3fp ) = (71,3 + 609,1 +122,9)®105 т/год = 803,3*105 т/год,

- трансформация взвешенных органических веществ в минеральные за год составляет:

(9fx + Tfcoz) + (ßzx + Тгсог + Э&т + Эгрсн) + (Эвх + Твссп + Лиг) = (614+ 716,2+1561)* 10^ т/год =2891,2*105 т/год,

- минерализация растворенных органических веществ за год составляет:

М- + М? + МЫ = 838,3* 105 т/год Модельная оценка воздействия факторов среды на процесс эвтрофирования моря Бохай. При увеличении ежесуточных значений температуры воды на 2°С существенно увеличиваются первичная, вторичная и бактериальная продукции (в верхнем слое - на 16,26 и 11%, а в нижнем - на 50, 12 и 6% соответственно). Величина показателя деструкции экосистемы D и годовой интегральный поток детрита Дв, подвергшегося бактериальному разложению, в верхнем слое повышается на 18 и 11%, а в нижнем - на 10 и 6%. Таким образом, в море в целом D/P-отношение увеличивается на 3% в верхнем слое и снижается па 26% в нижнем слое. Самоочищающая способность экосистемы с повышением температуры увеличивается. При снижении температуры воды на 2°С по сравнению с «базовым вариантом» первичная продукция в верхнем слое понижается на 13%, а в нижнем не изменяется. Вторичная и бактериальная продукции снижаются в верхнем слое на 13 и 16%, а в нижнем - на 10 и 5% соответственно. С уменьшением температуры воды D/P-отпошение в

верхнем слое снижается на 1%, а в нижнем - на 10%.

Низкая подводная освещенность является основным фактором, сдерживающим процесс первичного продуцирования в море Бохай. При минеральной составляющей мутности воды 2 мг/л, первичная, вторичная и бактериальная продукции в сравнении с «базовым» вариантом увеличиваются в верхнем слое на 21, 28 и 18%, а в нижнем - на 1700, 33 и 28% соответственно. Величина показателя деструкции экосистемы £> и годовой интегральный поток детрита Дв в верхнем слое повышается на 21 и 18%, а в нижнем - на 31 и 28% соответственно. Таким образом, в море в целом Д/Р-отношение в верхнем слое не изменяется, а в нижнем слое снижается на 93%. При минеральной составляющей мутности воды 10 мг/л, первичная, вторичная и бактериальная продукции понижаются в верхнем слое на 31, 38 и 29%, а в нижнем - на 100, 42 и 29% соответственно. Величина показателя деструкции, годовой интегральный поток детрита Дв в верхнем слое снижаются на 31 и 28%, а в нижнем - на 32 и 28% соответственно, ¿//"-отношение в верхнем слое моря повышается на 1% и в нижнем слое становится бесконечно большим.

Скорость течения не так сильно влияет на результаты моделирования, как температура воды или мутность. При увеличении скорости течения в 4 раза первичная, вторичная и бактериальная продукции в верхнем и нижнем слоях снижаются на 2%. Величина показателя деструкции экосистемы Д годовой интегральный поток детрита Дв и ¿'//'-отношение снижаются менее, чем на 2%.

Без учета поступления биогенных веществ с речным стоком первичная, вторичная и бактериальная продукции в поверхностном и придонном слоях снижаются на 2-4% по сравнению с «базовым вариантом». Одновременно на 2-3% снижаются величины показателя деструкции и годового интегрального потока детрита, подвергшегося бактериальному разложению, В связи с этим в море в целом ¿»//"-отношение снижается на 3% в нижнем слое, а в верхнем слое остается без изменения. При увеличении поступления биогенных веществ с речным стоком в два раза по сравнению с «базовым вариантом» первичная, вторичная и бактериальная продукции в поверхностном и придонном слоях моря увеличиваются на 2-3%. Одновременно на 1-2% увеличиваются значения показателя деструкции О и годового интегрального потока детрита Дв. ¿»//"-отношение в верхнем слое моря остается без изменения, а в нижнем увеличивается на 2%.

Если береговой сток биогенных веществ отсутствует, первичная, вторичная и бактериальная продукции в обоих слоях снижаются на 3-10%. Одновременно на 2-6% снижаются величина показателя деструкции В и годовой интегральной поток детрита Дв. В связи с этим в море в целом ¿»//"-отношение снижается на 4% в нижнем слое, а в верхнем слое остается без изменения. При увеличении берегового стока биогенных веществ в два раза по сравнению с «базовым» вариантом первичная, вторичная и бактериальная продукции в обоих слоях увеличиваются на 1-7%. На 2-5% увеличивается величина показателя деструкции В и годовой интегральной поток детрита Дв- В связи с этим, в море в целом ¿>//>-отношение в верхнем и нижнем слоях увеличиваются на 1 и 3%.

Без учета поступления биогенных веществ из атмосферы первичная, вторичная и бактериальная продукции в обоих слоях снижаются на 1-2%. Одновременно на 0,4 \% снижаются величина показателя деструкции ¿> и годовой интегральный поток детрита Дв- В связи с этим в море целом в придонном слое ¿»//'-отношение снижается на 0,5%, а в поверхностном слое остается без изменения. При увеличении в 2 раза по сравнению с «базовым» вариантом поступления биогенных веществ из атмосферы первичная, вторичная и бактериальная продукции в обоих слоях увеличиваются на 1-2%. Величина показателя деструкции £> и годовой интегральной поток детрита Дп в обоих слоях моря увеличиваются на 0,6-1%. В связи с этим /»//"-отношение в верхнем слое не изменяется, а в нижнем увеличиваются на 1%.

Под влиянием тяжелых металлов первичная, вторичная и бактериальная продукции в верхнем слое моря снижаются на 17, 5 и 20%, а в нижнем - на 1, 26 и 24% соответственно. Одновременно снижается величина показателя деструкции D и годовой интегральный поток детрита Дв в верхнем слое моря на 15 и 20%, а в нижнем - на 20 и 24%. В связи с этим DJP-отношение в верхнем слое увеличивается на 3%, а в нижнем слое снижается на 20%.

Рассмотрены два прогнозных сценария возможного эвтрофирования вод моря Бохай, связанного с биогенпой нагрузкой:

сценарий 1: на двадцатилетнем временном интервале ежегодная внешняя пагрузка на море постоянна и равна величине нагрузки, принятой в «базовом» варианте;

сценарий 2: на том же временном интервале ежегодная биогенная нагрузка на экосистему увеличивается по линейному закону так, что в конце срока она стала в два раза выше, чем принятая в «базовом» варианте.

На двадцатый год модельного времени оба сценария приводят к серьезному повышению годовых интегральных потоков веществ в модели экосистемы. При постоянной антропогенной нагрузке на море Бохай через 20 пет годовые интегральные потоки первичной, вторичной и бактериальной продукций в поверхностном слое моря увеличатся по сравнению с первым годом на 160, 227 и 152%, а в нижнем - на 150, 282 и 155% соответственно. Величина показателя деструкции D и годовой интегральный поток детрита, подвергшегося бактериальному разложению, возрастут в верхнем слое на 157 и 152%, а в нижнем - на 155 и 175%. D/P-отношение в верхнем слое не изменится, а в нижнем -увеличится на 10%.

При повышении в два раза антропогенной нагрузки на морскую экосистему через 20 модельных лет годовые интегральные потоки первичной, вторичной и бактериальной продукций в поверхностном слое увеличатся по сравнению с первым годом на 203, 283 и 209%, а в придонном - на 150, 347 и 193% соответственно. Величина показателя деструкции D и годовой интегральный поток детрита Дв увеличатся в верхнем слое на 202 и 208%, а в нижнем - на 211 и 191%. D/P-отношение в верхнем слое не изменится, а в нижнем оно увеличится на 25%.

Некоторые результаты прогнозного распознавания трофического статуса моря по методу сводных показателей приведены на рис. 9. Можно сделать вывод, что море Бохай через 20 лет будет находиться в стадии перехода от мезотрофно-эвтрофного к эвтрофному классу, если биогенные нагрузки на него не уменьшатся.

Основные выводы

нрг

--------1

Рис. 9 Цифровые модели прогнозной оценки трофического статуса моря Бохай за двадцатый год модельного времени при постоянной внешней нагрузке. Статус: 2-мезотрофный, 3-мезотрофно-эвтрофный; 4-эвтрофный

через пролив Лаотешень, четвергам - поступление из атмосферы, в) Основным лимитирующим фактором развития продукционного звена экосистемы является низкая подводная освещенность, связанная с высокой мушостыо воды, г) На временном интервале с 1982 по 1998 гг., в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства, произошла смена биогенного лимитанта первичной продукции. Азотная лимитация сменилась на фосфорную, д) Основными зшрязнителями вод моря тяжелыми металлами являются промышленные предприятия, расположенные на побережье и в нижнем течении рек, впадающих в море.

2. Опубликованные в атласах карты и ГИС-технологии послужили основой для построения цифровых моделей полей экологических характеристик в узловых точках регулярной сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию берегов моря Бохай. Эти модели использованы для оценки современного трофического статуса и качества вод моря по отдельным и сводным показателям. Установлено, что по совокупности показателей воды заливов Ляодунского, Бохайвань и Лайджоуского относятся к мезотрофному типу, а центральная часть моря и район проливов - к олиготрофному.

3. Сформулирована пятнадцатикомпонентная пространственно-неоднородная имитационная модель начальных и промежуточных звеньев экосистемы моря Бохай на уровне: фито-, зоо- и бакгериопланкгон, взвешенные и растворенные в воде органические вещества, минеральные биогенные элементы, растворенные газы. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных тридцатого порядка с соответствующими начальными и граничными условиями. Правые части уравнений описывают скорости валового первичного биосинтеза; питания зоопланктона; валовой продукции бактерий; трат на дыхание; экскреции и естественной смертности организмов; бактериальной деструкции детрита и поступления в среду растворенных органических веществ в процессе внеклеточного бактериального гидролиза; минерализации РОВ и др. Имитационная модель предназначена для анализа и прогноза процесса эвтрофирования вод моря Бохай и может быть использована в аналогичных целях для других внутренних морей.

4. Для моделирования полей ветровой и стоковой циркуляции вод моря Бохай использован метод полных потоков В.Б. Щтокмана. Численное решение задачи осуществлялось путем сведения бигармонического уравнения для функции тока к системе уравнений Пуассона. Методом полных потоков рассчитаны поля «постоянных» течений, связашшх с водообменом через проливы, ежемесячные поля ветровых и стоковых течений. По данным расчетов, скорости «постоянных» течений колеблются в пределах 1-2 см/с, стоковых - 0,1-0,2 см/с, ветровых течений - 0,1-40 см/с.

5. Для численного интегрирования системы уравнений двухслойной пространственно-неоднородной модели экосистемы адаптирован метод шсстиэтапного расщепления уравнений Г.И. Марчука. Автором диссертации предложен метод трехэтапного расщепления уравнений. Сопоставление результатов моделирования показало близость решений, полученных при использовании шестиэтапного и трехэтапного методов расщепления. В качестве критериев близости использованы коэффициенты корреляции временных рядов компонентов экосистемы, полученные при реализации моделей. Величины коэффициентов корреляции Я - 0,95 - 1,0 позволяют сделать вывод о целесообразности использования более экономичного трехэтапного метода расщепления.

6. Выполнена оценка влияния на результаты моделирования типа граничных условий при решении краевых задач для системы уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций. Реализация моделей с граничными условиями первого и третьего рода показала близость полученных решений. В качестве критериев близости использованы коэффициенты корреляции временных рядов компонентов во внутренних точках сеточной области моделирования. Величины коэффициентов корреляции

К = 0,95-1,0 позволяют сделать вывод о возможности использования граничных условий первого рода при реализации пространственно-неоднородных моделей экосистем.

7. Модельная оценка влияния внутрисистемных факторов на годовой цикл развития экосистемы^моря Бохай показала, что наиболее существенным фактором, сдерживающим процесс эвтрофирования моря, является высокая мутность воды, имеющая аллохгонное происхождение. При увеличении мутности с 2 до 10 мг/л первичная продукция в море в целом снижается на 52% в поверхностном пятиметровом слое воды и на 1800% в нижнем двадцатиметровом слое. Фильтрационная активность зоопланктеров, определяемая по величине ассимилированной пищи, снижается в верхнем слое на 66%, а в нижнем - на 75%. Бактериальное разложение органического вещества, определяемое по величине бактериальной продукции, снижается в верхнем слое на 47%, а в нижнем - на 57%. Циркуляция вод в море Бохай оказывает незначительное влияние на процесс эвтрофирования. При увеличении скоростей течения в 4 раза по сравнению со «стандарггаой » циркуляцией, первичная продукция снижается в верхнем слое на 2%, а в нижнем слое не изменяется. Фильтрационная активность зоопланктеров и бактериальное разложение органического вещества снижаются на 2%.

8. Загрязнение вод моря тяжелыми металлами приводит к ослаблению процесса эвтрофирования. Первичная продукция в верхнем слое моря снижается на 17%, а в нижнем -на 1%. Бактериальная продукция снижается на 20% в верхнем слое и на 24% - в нижнем слое.

9. Основными факторами, вызывающими антропогенное эвтрофирование вод моря Бохай являются береговой и речной стоки биогенных веществ. При увеличении берегового стока биогенов в два раза первичная продукция в верхнем слое моря увеличивается за год на 2%. В то же время фильтрационная активность зоопланктеров в верхнем слое увеличивается на 3%, а в нижнем - на 2%. Бактериальная продукция возрастает на 2%.

10. По данным моделирования, при сохранении современной антропогенной нагрузки на море Бохай через 20 лет модельного времени первичная, вторичная и бактериальная продукции увеличатся на 160, 227, 152% соответственно. Почти такое же увеличение этих показателей произойдет и в нижнем слое. Трофический статус моря, рассчитанный по методу сводных показателей, за 20 лет модельного времени на большей части акватории моря возрастает до эвтрофного, лишь в зоне проливов и в северо-западной части моря воды будут относиться к мезотрофно-эвтрофному классу.

Список статьей

1. Лю Сулин. Проблемы охраны морской среды в Китае. //Реальный и виртуальный мир нового тысячелетия. Тезисы докладов IV международной научной конференции, СПбГУ, 2002. Стр. 127-128.

2. Ю.Н. Сергеев, Сулин Лю. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. I. Однокритериальные классификации. Вестник СПбГУ. Сер.7,2004, вып. 3 /№23. Стр. 51-61.

3. Ю.Н. Сергеев, Сулин Лю. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. II. Многокритериальная оценка трофности и качества вод. Вестник СПбГУ Сер.7, 2004, вып. 4 / №31. Стр. 53-64.

Отпечатано в 000»1Сопи-Р» С-Петербург, ул. Пестеля 11 Подписано в печать 19.05.2005г. Тираж 100

РНБ Русский фонд

2007-4

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Лю Сулин

Введение

Глава 1. Общая концепция моделирования морских экологических систем.

1.1 Структурно-функциональная схема морской экосистемы.

1.2 Основные этапы имитационного моделирования морской экосистемы.

1.3 Основные уравнения пространственно-неоднородной имитационной модели.

1.4 Проблема эвтрофирования внутренних морей.

Глава 2. Современное состояние экосистемы моря Бохай, ее компоненты к внешние воздействия.

2.1 Физико-географическая характеристика моря.

2.1.1 Географическое положение, глубины и донные отложения.—30 2.1.2 Климат.

2.2 Физико-динамические компоненты биотопа.

2.2.1 Пространственно-временная изменчивость температуры воды и ледовый режим.

2.2.2 Соленость и плотность вод в море Бохай.

2.2.3 Годовой ход суммарной солнечной радиации на поверхности моря.

2.2.4 Прозрачность и подводная освещенность моря.

2.2.5 Общая циркуляция вод и приливные явления.

2.3 Химические компоненты биотопа.

2.3.1 Растворенные и взвешенные в воде биогенные вещества.

2.3.2 Кислород.

2.3.3 Концентрация водородных ионов.

2.4 Компоненты биоценоза.

2.4.Репрезентативность биологических показателей.

2.4.2 Фитопланктон.

2.4.3 Зоопланктон.

2.4.4 Бактериопланктон.

2.5 Внешние воздействия на экосистему.

2.5.1 Водообмен через границы бассейна.

2.5.2 Массообмен через границы бассейна.

2.5.3 Тяжелые металлы в воде моря Бохай.

Глава 3. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай.

3.1 Исходная информация и методика построения цифровых моделей полей экологических характеристик.

3.2 Взаимосвязь категорий трофического статуса водоема и качества его вод.

3.3 Оценка трофического статуса и качества вод моря Бохай по отдельным показателям.

3.4 Многокритериальная оценка трофности и качества вод.

3.4.1 Алгоритм обучающей подсистемы.

3.4.2 Алгоритм опознающей системы.

Глава 4. Балансовые имитационные модели годового цикла развития экосистемы моря Бохай.

4.1 Вербальная модель начальных и промежуточных звеньев водной пространственно-однородной экосистемы.

4.1.1 Компоненты модели.

4.1.2 Структурно-функциональная схема пространственнооднородной замкнутой по веществу модели экосистемы.—134 4.2 Уравнения баланса вещества в экосистеме.

4.3 Пространственно-однородная имитационная модель экосистемы моря Бохай.

4.3.1 Методика перехода от уравнений баланса вещества к уравнениям баланса скоростей массообмена.

4.3.2 Уравнения баланса скоростей массообмена в биоценозе.

4.3.3 Уравнения баланса скоростей массообмена взвешенного и растворенного органических веществ.

4.3.4 Уравнения баланса скоростей массообмена минеральных веществ.

4.3.5 Уравнения баланса скоростей массообмена растворенных газов.

4.3.6 Система уравнений баланса скоростей обменных процессов и ее решение.

4.4 Двухрезервуарная модель экосистемы моря Бохай.

4.5 Оценка адекватности имитационной модели экосистеме-оригиналу.

4.5.1 Критерии адекватности.

4.5.2 Тестирование имитационной модели моря Бохай.

4.5.3 Реакция экосистемы на изменение биогенного элемента лимитирующего первичную продукцию.

4.6 Оценка влияния дифференциация водного фитоценоза на результаты моделирования экосистемы.

4.6.1 Результаты моделирования экосистем с недифференцированным на экологически-однородные группы фитоценозом.

4.6.2 Результаты моделирования экосистемы с дифференцированным на экологически-однородные группы фитоценозом.

Глава 5. Пространственно-неоднородная имитационная модель экосистемы моря Бохай.

5.1 Формулировка пространственно-неоднородной осредненной по глубине модели экосистемы.

5.2 Результирующие потоки ветровой и стоковой циркуляции вод в море.

5.2.1 Постановка гидродинамической задачи.

5.2.2 Численный метод решения бигармонического уравнения.

5.2.3 Результаты моделирования циркуляции вод.

5.3 Численная реализация пространственно-неоднородной модели экосистемы.

5.3.1 Шестиэтапный метод расщепления уравнений.

5.3.2 Трехэтапный метод расщепления уравнений.

5.3.3 Сравнение результатов моделирования компонентов экосистемы по шестиэтапному и трехэтапному методам расщепления.

5.3.4 Сравнение результатов решения уравнений пространственной неоднородной модели с граничными условиями первого и третьего рода.

5.4 Годовые интегральные потоки и баланс вещества в пространственно-неоднородной модели экосистемы.

5.4.1 Баланс вещества в модели экосистемы.

5.4.2 Потоки вещества в модели экосистемы.

5.4.3 Моделирование процесса самоочищения моря.

5.5 Модельная оценка воздействия факторов среды на процесс эвтрофирования моря Бохай.

5.5.1 Оценка влияния внутрисистемных факторов на эвтрофирование моря.

5.5.2 Оценка внешних факторов, влияющих на эвтрофирования моря.

5.5.3 Оценка влияния тяжелых металлов на эвтрофирования моря.

5.6 Прогнозные оценки эвтрофирования моря Бохай.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Имитационная модель экосистемы моря Бохай как инструмент анализа и прогноза антропогенного эвтрофирования его вод"

В разработанной в 1996 г. «Повестке дня Китая по морям и океанам на XXI век» была выдвинута стратегия развития морского хозяйства страны на длительную перспективу, нацеленная на рациональное освоение и использование морских ресурсов, действенную охрану морской экологической среды, обеспечение долговременного пользования морскими ресурсами. В соответствии с «Повесткой дня» за последние годы в Китае проведена большая работа по преобразованию традиционных морских промыслов, интенсивно развивается морское аквахозяйство, морские нефтегазовые промыслы, морской туризм, фармацевтика и другие новые отрасли народного хозяйства.

В сфере рыбного хозяйства Китай придерживается курса на ускоренное развитие аквахозяйства. Непрерывно пополняется ассортимент продукции, расширяются масштабы аквопромыслов. В результате валовая продукция этой отрасли увеличилась с 1,92 млн. тонн в 1987 г. до 7,91 млн. тонн в 1997 г. Ее удельный вес в общем объеме производства морского рыбного хозяйства возрос с 26 до 36%.

Китайская Народная Республика относится к немногочисленной группе государств с бурно развивающейся экономикой. Валовой внутренний продукт страны удваивается каждые 7-8 лет.

В связи с поставленной целью работы, автором диссертации решались следующие задачи:

2. Выполнение анализа внутригодовой и пространственной изменчивости компонент морской экосистемы, внешних воздействий на нее и формулировка вербальной модели экосистемы;

5. Выполнение на модели анализа влияния внешних воздействий и факторов среды на эвтрофирование моря;

6. Реализация серии модельных сценариев развития процесса эвтрофирования моря на двадцатилетнем временном интервале при различных антропогенных воздействиях.

Методология и методика исследования. В основу работы положен дедуктивный путь познания. Облеченный в математическую форму мысленный образ морской экосистемы составляет ее имитационную модель, которая, по определению академика Н. Н. Моисеева, «представляет собой формальное описание на ЭВМ изучаемого явления во всей его полноте на грани современного понимания науки». Модель используется для анализа степени влияния внутрисистемных и внешних факторов на процесс эвтрофирования моря, а также для реализации серии сценариев прогностического характера о поведении экосистемы при усилении антропогенных нагрузок.

Предлагаемая в диссертации имитационная модель сформулирована в виде системы существенно нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных - уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций с соответствующими начальными и граничными условиями. Правые части уравнений, ответственные за описание скоростей обменных процессов между компонентами биоценоза и биотопа, формулируются на основе уравнений баланса вещества в экосистеме. Граничные условия отражают процессы обмена веществом и энергией с соседними водными экосистемами, экосистемами суши и атмосферой. Явления подсеточного масштаба учитываются параметрически.

Экосистема моря Бохай представлена в виде двухслойной структуры: верхнего продукционного слоя толщиной 5 м и нижнего деструкционного слоя переменной толщины, которую принимаем равной 20 м. Обмен веществом между слоями происходит в процессах вертикальной турбулентной диффузии компонент экосистемы и гравитационного осаждения взвешенных субстанций. Поля ветровых и стоковых течений, ответственные за адвективный перенос компонент экосистемы, рассчитываются методом полных потоков В. Б. Штокмана.

Для распознавания трофического статуса моря по фактическим данным и по результатам моделирования его экосистемы в соответствии с прогнозными сценариями антропогенных нагрузок использована единая методика многокритериальной оценки степени эвтрофирования водоемов, предложенная В. В. Дмитриевым и Н. В. Ховановым.

Научная новизна. Работа содержит научную новизну как в теоретическом, так и в прикладном отношениях.

В теоретическом плане впервые:

- сформулирована и реализована двухслойная пространственно-неоднородная непрерывная имитационная модель начальных и промежуточных звеньев водной экологической системы, предназначенная для анализа и прогноза развития процессов антропогенного эвтрофирования вод;

- при численном интегрировании системы уравнений адаптирован предложенный Г. И. Марчуком метод шестиэтапного расщепления дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Предложен и реализован метод трехэтапного расщепления уравнений;

В прикладном плане впервые:

- выполнена многокритериальная оценка современного. трофического статуса моря Бохай;

- реализована пространственно-неоднородная модель функционирования начальных и промежуточных звеньев пелагической экосистемы моря Бохай; ю

Практическая значимость.

1. В условиях ускоренного развития промышленности и сельского хозяйства Китая, повышенного внимания правительства к охране морских ресурсов и развитию аквахозяйства, анализ и прогноз возможного эвтрофирования моря Бохай имеет важное народнохозяйственное значение. Предложенная в диссертации методика может найти применение в создаваемой в Китае системе комплексного управления морским хозяйством.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Покомпонентный анализ современного состояния экологической системы моря Бохай и многокритериальная оценка трофического статуса его вод;

2. Конструкция и алгоритмическая реализация пространственно-неоднородной двухслойной имитационной модели водной экосистемы. Оценка влияния двух модификаций численного метода интегрирования уравнений модели и двух типов граничных условий на результаты

11 моделирования;

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Лю Сулин

Заключение

1. По литературным данным и материалам экологического мониторинга моря Бохай установлено следующее: а) Море и, особенно, его заливы предрасположены к антропогенному эвтрофированию. Это связано с недостаточным водообменом с Желтым морем и небольшими глубинами моря Бохай. Активное волновое и турбулентное перемешивания вод моря способствуют интенсивному прогреву водной толщи и стимулируют продукционные процессы в его экосистеме, б) Главными поставщиками соединений азота и фосфора в море являются сток малых рек и береговой сток. Вторым по значимости является вынос биогенных веществ крупными реками, третьим - их поступление через пролив Лаотешень, четвертым -поступление из атмосферы, в) Основным лимитирующим фактором развития продукционного звена экосистемы является низкая подводная освещенность, связанная с высокой мутностью воды, г) На временном интервале с 1982 по 1998 гг. в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства произошла смена биогенного лимитанта первичной продукции. Азотная лимитация сменилась на фосфорную, д) Основными загрязнителями вод моря тяжелыми металлами являются промышленные предприятия, расположенные на побережье и в нижнем течении рек, впадающих в море.

3. Сформулирована пятнадцатикомпонентная пространственно-неоднородная имитационная модель начальных и промежуточных звеньев экосистемы моря Бохай на уровне: фито-, зоо- и бактериопланктон, взвешенные и растворенные в воде органические вещества, минеральные биогенные элементы, растворенные газы. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных тридцатого порядка с соответствующими начальными и граничными условиями. Правые части уравнений описывают скорости валового первичного биосинтеза; питания зоопланктона; валовой продукции бактерий; трат на дыхание; экскреции и естественной смертности организмов; бактериальной деструкции детрита и поступления в среду растворенных органических веществ в процессе внеклеточного бактериального гидролиза; минерализации РОВ и др. Имитационная модель предназначена для анализа и прогноза процесса эвтрофирования вод моря Бохай и может быть использована в аналогичных целях для других внутренних морей.

4. Для моделирования полей ветровой и стоковой циркуляции вод моря Бохай использован метод полных потоков В. Б. Штокмана. Численное решение задачи осуществлялось путем сведения бигармонического уравнения для функции тока к системе уравнений Пуассона. Методом полных потоков рассчитаны поля «постоянных» течений, связанных с водообменом через проливы, ежемесячные поля ветровых и стоковых течений. По данным расчетов скорости «постоянных» течений колеблются в пределах 1 - 2 см/с, стоковых течений - 0,1 - 0,2 см/с, ветровых течений - 0,1 - 40 см/с.

5. Для численного интегрирования системы уравнений двухслойной пространственно-неоднородной модели экосистемы адаптирован метод шестиэтапного расщепления уравнений Г.И. Марчука. Автором диссертации предложен метод трехэтапного расщепления уравнений. Сопоставление результатов моделирования показало близость решений, полученных при

245 использовании шестиэтапного и трехэтапного методов расщепления. В качестве критериев близости использованы коэффициенты корреляции временных рядов компонент экосистемы, полученные при реализации моделей. Величины коэффициентов корреляции R = 0,95 - 1,0 позволяют сделать вывод о целесообразности использования более экономичного трехэтапного метода расщепления.

6. Выполнена оценка влияния на результаты моделирования типа граничных условий при решении краевых задач для системы уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций. Реализация моделей с граничными условиями первого и третьего рода показала близость полученных решений. В качестве критериев близости использованы коэффициенты корреляции временных рядов компонент во внутренних точках сеточной области моделирования. Величины коэффициентов корреляции R = 0,95 - 1,0 позволяют сделать вывод о возможности использования граничных условий первого рода при реализации пространственно-неоднородных моделей экосистем.

7. Модельная оценка влияния внутрисистемных факторов на годовой цикл развития экосистемы моря Бохай показала, что наиболее существенным фактором, сдерживающим процесс эвтрофирования моря является высокая мутность воды, имеющая аллохтонное происхождение. При увеличении мутности с 2 до 10 мг/л первичная продукция в море в целом снижается на 52% в поверхностном пятиметровом слое воды и на 1800% в нижнем двадцатиметровом слое. Фильтрационная активность зоопланктеров, определяемая по величине ассимилированной пищи, снижается в верхнем слое на 66%, а в нижнем - на 75%. Бактериальное разложение органического вещества, определяемое по величине бактериальной продукции, снижается в верхнем слое на 47%, а в нижнем - на 57%. Циркуляция вод в море Бохай оказывает незначительное влияние на процесс эвтрофирования. При увеличении скоростей течения в 4 раза по сравнению со «стандартной »

246 циркуляцией, первичная продукция снижается в верхнем слое на 2%, а в нижнем слое не изменяется. Фильтрационная активность зоопланктеров и бактериальное разложение органического вещества снижаются на 2%.

8. Загрязнение вод моря тяжелыми металлами приводит к ослаблению процесса эвтрофирования. Первичная продукция в верхнем слое моря снижается в верхнем слое моря на17%, а в нижнем - на| 1 %. Бактериальная продукция снижается на 20% в верхнем слое и на 24% - в нижнем слое.

9. Основными факторами, вызывающими антропогенное эвтрофирование вод моря Бохай являются береговой и речной стоки биогенных веществ. При увеличении берегового стока биогенов в два раза первичная продукция в верхнем слое моря увеличивается за год на 5%. В то же время фильтрационная активность зоопланктеров в верхнем слое увеличивается на 7%, а в нижнем - на 4%. Бактериальная продукция возрастает на 2 - 4%.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Лю Сулин, Санкт-Петербург

1. Айзатуллин Т.А., Шамардина И.П. Математическое моделирование экосистем континентальных водотоков и водоемов. Общая экология, т. 5 М., 1980.

2. Алекин OA. Химия океана. Л.: гидрометеоизд, 1966.

3. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003.

4. Андрушайтис Г.П., Юрковская В.А., Апине С.О. Микробиологические исследования Балтийского моря. В кн.: Труды XII конф. Балт. Океанографов и VII совещания экспертов по водному балансу Балтийского моря. Л.: гидрометеоиздат, 1981.

5. Анохин Ю.А., Остролюгильскнй А.Х. Проблема наблюдения и сбора данных природных систем. Математические модели и методы управления крупномасштабным водным объектом. Новосибирск, 1982.

6. Атлас теплового баланса океанов. Академия наук УССР. Морской гидрофизический институт. Севастополь, 1970.

7. Беляев В.И. Моделирование морских систем. Киев, 1987.

8. Бродской К.А. Фауна веслоногих рачков и зоогеографическое районирование северной части Тихого Океана и сопредельных вод. M-JI, 1957.

9. Воронцов П.А. Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы. JI., 1966.

10. Временные методические рекомендации по прогнозированию химического состава поверхностных вод с учетом перераспределения стока. Л.: гидрометеоиздат, 1988.

11. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев, 1990.

12. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем, СПбГУ, 1995.

13. Дмитриев В.В. Методические указания к практикуму по моделированию круговорота вещества в водных экосистемах. Часть 1, СПб., 2002.

14. Дмитриев В.В. Моделирование круговорота вещества в водных экосистемах умеренных широт. Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. Д., 1987.

15. Дмитриев В.В. Что такое экологическая оценка и как построить интегральный показатель состояния природной или антропогенно-трансформированной экосистемы. Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов. СПб., РГГМУ, 2002.

16. Егоров Н.И. Физическая океанография. Д., 1966.

17. Жак Ниуль Модели дисперсии пассивных субстанций. В сборнике «Моделирование морских систем»/ под ред. Т. А. Айзатуллина, Д.: гидрометеоизд, 1978.

18. Замараева Т.А., Рудкова А.А. Изучение зависимости скорости роста одноклеточных водорослей от температуры, кислотности и концентрации тяжелых металлов //Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем /Под ред. Ю.А. Израэля. Д., 1989.

19. Интегральная оценка экологического состояния и качества вод городских территорий. /Под ред. А.К. Фролова. СПб., 1999.

20. Исаченко А.Г. Введение в экологическую географию. СПб., 2003.

21. Киселев И.А. Планктон морей и континентальных водоемов. Д., 1969.

22. Коробкин В.И., Передельский JI. В. Экология в вопросах и ответах. Ростов-на-Дону, 2002.

23. Кочиков В.Н. Моделирование морских систем. Д.: гидрометеоиздат, 1978.

24. Криштофовича А. Н. Определитель ископаемых и современных диатомовых водорослей. «Диатомовый анализ.» Т 3, Госгеолиздат., 1950.2 в.Кудеяров В.Н., Баткип В.Н., Кудеярова А.Ю., Бочкарев А.Н. Экологические проблемы применения удобрений. М.: Наука, 1984.

25. Лю Сулии. Проблемы охраны морской среды в Китае. Реальный и виртуальный мир нового тысячелетия. Тезисы докладов IV международной научной конференции. СПб., 2002.

26. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982.

27. Матишов Г.Г. Среда, биота и моделирования экологических процессов в Азовском море. РАН Кольский научный центр. Мурманский морской биологический институт. Апатиты, 2001.

28. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод. /Под ред. А.В. Караушева. JI., 1987.

29. ЪХ.Мипеев В.Г. Химизация земледелия и природная среда. М.: Агропромиздат, 1990.

30. Немсон-Смит. А. Нефть и экология моря. /Пер. с англ.; под ред. А. И. Симонова. М., 1977.

31. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975.

32. Океанографическая энциклопедия. /Отв. ред. Р. М. Деменицкая, JL, 1974.

33. Панов Д.Ю. Справочник по численному решению дифференциальных уравнений в частных производных. М., 1951.

34. Петров К.М. Биогеография океана. Биологическая структура океана глазами географа. СПб., 1999.

35. Пивоваров А.А., Анисимов Е.П., Ермаков А.П. Суточный ход альбедо и проникающей в море солнечной радиации. «Изв. физического атмосферного океана АН СССР», т. 1,1964.

36. Показеев К.В., Филатов Н.Н. Гидрофизика и экология озер. Том 1,гидрофизика, М., 2002.

37. Полевой В.В. Физиология растений. М., 1989.

38. Проект «Балтика». Проблемы исследования и математического моделирования экосистемы Балтийского моря. Выпуск 4. «Основные тенденции эволюции экосистемы»./ Под ред. И. Н. Давидана. JL, 1989.

39. Прошкина-Лавреико A.M. Диатомовые водоросли планктона Черного моря. Изд. Академии Наук СССР, 1965.

40. Развитие морского хозяйства в Китае. Пресс-канцелярия госсовета КНР, Пекин, 1998.

41. Савчук О.П. Имитационная модель круговорота азота и динамики кислорода в экосистеме Финского залива. В кн.: Труды 12 конференции Балтийских океанографов и совещания экспертов по водному балансу Балтийского моря. Jl.,1981.

42. Самарский А.А. Теория разностных схем. М., 1977.

43. Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений. Л.: гидрометеоиздат, 1977.

44. Сергеев Ю.Н. Проблема математического моделирования многокомпонентной физико-биологической системы моря / Вестн. Ленингр. Ун-та. № 24, 1972.

45. Сергеев Ю.Н., Савчук О.П., Кулеш В.П. Математическое моделирование морских экологических систем. Кн. 1. Л. 1977а.

46. Сергеев Ю.Н., Дмитриев В.В. Оценка современного состояния и перспективы эвтрофирования восточной части финского залива на основе моделирования круговорота вещества в водной экосистеме / Вестн. Ленингр. Ун-та., сер. 7, Вып. 1 (№ 7) . 1990.

47. Сергеев Ю.Н., Колодочка А. А., Круммель Х.Д. Моделирование процессов переноса и трансформации вещества в море. Л., 1979.

48. Сергеев Ю.Н., Колодочка А.А., Кулеш В.П. Автоматизированная система анализа поведения морского биогеоценоза. Л., 1981.

49. Сергеев Ю.Н., Круммель Х.Д., Кулеш В.П. Математическое моделирование морских экологических систем. Кн. II. JL, 19776.

50. Сергеев Ю.Н., Кулеш В.П., Дмитриев В. В. и др. Экосистема озера Ильмень и его поймы. СПб.: Издат. СПбГУ, 1997.

51. Сергеев Ю.Н., Лю Сулии Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. I. Однокритериальные классификации. //Вестн. С.-Петерб. ун-та. Вып. 3 (№ 23). Сер. 7. 2004.

52. Сергеев Ю.Н., Лю Сулии Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. II. Многокритериальная оценка трофности и качества вод//Вестн. С.-Петерб. ун-та. Вып. 4 (№ 31). Сер. 7. 2004.

53. Справочник по гидрохимии / Под ред. A.M. Никанорова. JL, 1989.

54. Страшкраба М, Гиаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М., 1989.

55. Третьяков В.Ю. Подходы к решению задач прикладной экологии средствами моделирования и Гис-технологий. Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов. СПб., РГГМУ, 2002.

56. Умное А.А. Использование математических моделей для оценки экологического состояния водоемов (на примере экосистемы Невской губы) //Экологическое состояние водоемов и водотоков бассейна реки Невы. СПб.: изд. Науч. центр РАН, 1996.

57. ФоррестерДж. Мироваядинамика. М., 1978.

58. Франсуа Рамад. Основы прикладной экологии. JI., 1981.

59. Хеидерсои-Селлерс В., Морклонд Х.Р. Умирающие озера. /Пер. с англ.; под ред. КЯ. Кондратьева и Н.Н. Филатова. Д., 1990.бЪ.Хованов Н.В. Анализ и синтез показателей при информационномдефиците. СПб., 1996.

60. Ховапов Н.В. Статистические модели теории квалиметрических шкал. JL, 1986.

61. Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: гидрометеоиздат, 1993

62. Цыбань А.В. Комплексные исследования Балтийского моря по программе работ советско-шведского сотрудничества. В кн.: Труды XII конф. Балт. Океанографов и VII совещания экспертов по водному балансу Балтийского моря. Д.: гидрометеоиздат, 1981.

63. Шишкин Б.А., Никулина В.Н., Максгшов А.А., Силина Н.И. Основные характеристики биоты Финского залива и ее роль в формировании качества воды. JL, 1989.

64. Штокман В.Б. Избранные труды по физике моря. JL: гидрометеоиздат, 1970.

65. Энциклопедия кибернетики./ под ред. В. М. Глушкова, Киев, 1975.

66. Юрковский А.К., Брамане А.Э., Юрковская В.А. Цикл изменения пигментов фитопланктона и бактериопланктона в Балтийском море в 1974 г. //Океанология, т. 16, вып. 5, 1976.

67. Algenjlora der Ostsee И. Plankton.(einschl. Benthischer Kieselalgen). Dr. Rer. Nat. Habil. Helmut Pankow. Veb Gustav Fischer Verlag Jena. 1976.

68. Chung C.S., Hong G.H., Kim S.H. The distributional characteristics & budget of dissolved inorganic nutrients in the Yellow Sea. Biogeochemical Processes in the Bohai & Yellow sea. 1999.

69. Garley D.B., Groley Т.Е. Hydrologic and economic models for watershed evaluation and research//ISHR/ Rept. Vol.11.1984.

70. Grethe Rytter Hasle. P Nitzschia and fragilarlopsis species studied in the light and electron microscopes. II. The group pseudonitzschia. Universite Tsforlaget. Oslo 1965.

71. Ни D, Saito Y, Kempe S. Sediment and nutrient transport to the coastal ocean.1.: Asian change in the context of global change. U. K.: Cambridge press. 1998.

72. Ни Minghui, Stallard R.F., Edmond G.M. Major ion chemistry of some large Chinese river. Nature, 198: 550-553. 1982

73. International joint commission. Report on Great lakes water quality. USA, 1980.

74. Jin Xianshi, Cui Yi, Ou Kerning, Chen Mingshan Influence of human activities on living resources. Chapter 3 in "Study on Ecosystem Dynamics in Coastal Ocean. II Processes of the Bohai Sea Ecosystem Dynamics". Beijing, 2002

75. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Biology /Ed. Chen Guozhen. Beijing, 1991.

76. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Chemistry /Ed. Wang Yuheng. Beijing, 1991.81 .Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Climatology /Ed. Li Baotai. Beijing, 1992.

77. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Hydrology /Ed. Chen Daxi. Beijing, 1992.

78. Martin J.M., Zhang J., Shi M.C. Actual flux of the Huanghe (Yellow River) sediment to the Western Pacific Ocean. Netherlands Journal of Sea Search. 31(3), 1993.

79. Milliman J.D. & Syvitski J.P. Geomorphic/tectonic control of sediment discharge to the ocean: The importance of small mountainous rivers. Journal of Geology. 100, 1992.

80. Schnese W. Relation between phytoplankton and zooplankton in brackish coastal water. Oikos, vol. 15, 1973.

81. Su Jilan, Tang Oisheng Study on Ecosystem Dynamics in Coastal Ocean. II Processes of the Bohai Sea Ecosystem Dynamics. Beijing, 2002

82. Vollenweider R.A. Eutrophication consideration of some basic factors affectingproductivity of lakes//Abstracts XIX congr. Internat. Assoc. of Limon. Canada. Winniped. 1974.

83. Wei Hao, Liu Sumei, Zhao Liang Community structure and population dynamics of zooplanrton. Chapter 2 in: "Study on Ecosystem Dynamics in Coastal Ocean. II Processes of the Bohai Sea Ecosystem Dynamics". Beijing, 2002

84. Wei Hao, Liu Sumei, Zhao Liang Ecosystem Model of the Bohai Sea. Chapter 4 in: "Study on Ecosystem Dynamics in Coastal Ocean. II Processes of the Bohai Sea Ecosystem Dynamics'". Beijing, 2002

85. Xiao Tian Planktonic bacteria and its productivity. Chapter 2 in: "Study on Ecosystem Dynamics in Coastal Ocean. II. Processes of the Bohai Sea Ecosystem Dynamics". Beijing, 2002.

86. Zhang J. Nutrient elements in large Chinese estuaries. Continental shelf research. 16 (8), 1996.

Информация о работе

Лю Сулин
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.36

Диссертация

Имитационная модель экосистемы моря Бохай как инструмент анализа и прогноза антропогенного эвтрофирования его вод - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы