Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Имитационное моделирование водно-пойменной экологической системы озера Ильмень

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

Автореферат диссертации по теме "Имитационное моделирование водно-пойменной экологической системы озера Ильмень"

ОД

.'.¡Н IСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТРЕТЬЯКОВ ВИКТОР ЮРЬЕВИЧ

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНО-ПОЙМЕННОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЗЕРА ИЛЬМЕНЬ

11.00.11 - Охрана окружающей среды к рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в лаборатории моделирования и диагностики геосистем Научно-исследовательского института Географии СПбГУ

Научный руководитель - доктор географических наук, профессор Ю.Н.СЕРГЕЕВ

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор В.Г.МОРАЧЕВСКИЙ - кандидат географических наук, старший научный сотрудник Г.К.ОСИПОВ

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Университет растительных биополимеров

Защита состоится "26" апреля 1994 г. в "15" часов на заседании Специализированного совета Д.063.57.42 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора географических наук при Санкт-Петербургском Государственном университете то адресу: 199178, Санкт-Петербург, 10-я линия, д.33, ауд.74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеко СШГУ (СПб, Университетская набережная, д.7/9).

Автореферат рззослан " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат географических наук

Г.И.МОСОЛОВА

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Дяя абсолютного большинства водотоков и водоемов России характерны переменный уровенныя режим с выраженным весенним половодьем и, соответственно, наличие пом - территорий временного затопления. Однако если влияние поемности водных объектов на функционирование поименных фитоданозов в настоящее время исследовано достаточно широко и подробно, то противоположное воздействие поим кз функционирование водных экосистем практически не изучалось. Поэтому значительный мировой опыт рационального природопользования и управления качеством водных объектов следует, вероятно, применять с учетом специфики функционирования экосистем водоемов и водотоков России, вызванной их поемностыо.

Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в создании математической модели, призванной выявить особенности функционирования экосистем проточных водоемов, обладающих поймами, а такие прогнозировэть реакции подобных экосистем на увеличение антропогенного воздействия. Для достижения поставленной дали в работе решены следующие задачи:

1. Сформулирована, разработана и реализозана двухрезервуарная имитационная модель водно-пойменной проточной экосистемы озера Ильмень. Осуществлено моделирование годового цикла развития озерной экосистемы и весенне-летнего цикла развития экосистемы затопивших пойму паводковых вод.

2. Изучены характерные черты развития временной экосистемы пойменной водной массы.

3. Проведена оценка роли поймы в обеспечении биоаквадавозз водоема биогенными элементами.

4. Исследовано влияние поймы на баланс органического вешэства в водной экосистеме озера.

5.. Изучено воздействие поймы на содержание в водоеме растворенных газов.

6. Оценена степень влияния поймы на формирование качества воды в озорной и пойменной водных массах.

7. Методами имитационного моделирования исследованы экологические последствия различных ззриантов хозяйственого использования территории поймы.

8. Исследовано изменение качества вод и особенности функционирования экосистемы при различных модельных сценариях загрязнения

рочного стока.

Исходные материалы. Ир., разработке имитационной модели водно-пойменной экосистемы оэ.йльконь и душ оценки ее адекватности природной экосистеме использовались:

- материал,' гидрологических, гидробиологических и гидрохимических наблюдении, собранные в СЗУТКС в период с 1948 по 1888 г.г.;

- материалы Экспедиции Волховского строительства 1932-26 г.;

- материалы наблюдений за компонетами экосистемы оз.Ильмень, собранные в разные годы сотрудниками Гос. института озерного и речного рыбного хозяйства. Института озероведения РАН;

- материалы комплексных наблюдений за компонентами биоцэноза

и биотопз оз,Ильмень, включая пойменную водную массу и пойменные биогепэнозы, выполненные в 188в-88 г.г. Ильменской экспедицией НИИ Географии Ленх'осунишрситетз;

- материалы приведенных автором в 1В8В-91 г.г. натурных и лабораторных экспериментов по исследованию воздействия пойменной растительности и почв на пойменную водную массу;

- литературные материала.

Методика. На основе натурных исследований я лабораторных экспериментов, анализа и обобщения литературных источников разработана И реализована на алгоритмическом языке "ТигЪо-РазсаХ" имитационная математическая модель окосистемы оз.Ильмень, состоящая из 2 резервуаров: озерной и пойменной водных мзсс. Функционирование экосистемы характеризуется при помощи вычисляемых в модели 255 показателей, отражающих среднегодовые и средние за период половодья величины; 170 пс?г.эзатвлей' состояния озерной водной массы или озера в целом и 00 показателей состояния пойменной водной массы в данные сутки. Ежесуточные Показатели записываются на каждом шаге интегрирования в 2 внешних файла. Осреднешше величины записываются после 385 шага в 4 внешних файла. Затем производится "расшифровка" внешних файлов при помощи созданного автором пакета сервисных программ. Елзгодаря им результаты преобразуются в файлы, имеющие вид таблиц и файлы данных, пригодные для создания графиков при помоет пакетов прикладных программ "агарЬег" и "5ирогСа1с4".

Научная новизна. На основе математического моде.лирования выявлено воздействие-поймы яз функционирование экосистемы водоомз. Впервые создана математическая модель» в которой учитывается.дан-не. воздействие. Предложен алгоритм имигадаи проточйости водремп.

позволявииа учитывать изменения биомасс и концентрация компонентов из-за перемешивания вод озера с поступающими в него речными водами. Путем численных экспериментов выявлены особенности функционирования водао-пояменноя экосистемы в условиях антропогенного пресса.

Практическое значение. Имитационная модель функционирования водно-дайменноя экосистемы оз.Ильмень может быть использован? в кзчестве основы при разработке общей методики оценки современного и прогноза перспективного состояний экосистем озер и водохранилищ, характеризующихся существенной проточностью и наличием зон временного затопления. Модель мошт служить основой для выбора оптимальных уровенных режимов водохранилищ и вариантов использования пойменных территорий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всесоюзной конференции "Охрана и рациональное использование природных ресурсов в районах избыточного увлажнения" (Калининград. 1989), региональной конференции "Экологические проблемы рационального использования и охраны природных ресурсов северо-запада Европейской части РСФСР" (Вологдэ,13Э0), 18-ой международной конференции балтийских океанографов (СПб,1992), 45-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников СПб Университета растительных биополимеров (СПб, 1992), межгосударственной научной конференции "Геоэкологические аспекты хозяйствовали, здоровья и отдыха" (Пермь, 1993), русско-шведской школе-семинаре Coast watch Nature School (СПб, 1993). Пубхикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ. Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов, изложена на 161 странице машинописного текста, включает Ю таблиц, fa рисунка и библиографию из 165 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Описание модели. Моделью называется такая система, которая отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает новую информацию об этом обюкто. Имитационная модель - это модель, созданная "на пределе" коллективных знания о природной системе, отражающая современный уровень развития целого комплекса естественных наук.

Данная имитационная модель представляет собой систему из 35 нелинейных дифференциальных уравнения, решаемую методом Тунга--Кугта. Искомыми функциями ¡.ешаемоя системы уравнения являются:

фитопланктон, зоопланктон, бзктериопланктон; лабильный и стойкий детрит, минеральная взвесь, взвешенное органическое вещество донных ялов; растворенные органические углерод, азот, фосфор, совокупное вещество растворенной органики без С, N. Р; растворенные азот аммония, нитритов, нитратов, фосфор фосфатов; растворенные кислород и углерод углекислого газа; запас азота и фосфора в макрофитах .

В модели имитируется также воздействие на экосистему озера бентосных организмов: личинок хирономид, олигохет, мелких (сфзри-ид и писиид) и крупных (беззубок, унионид, дреяссен) двустворчатых моллюсков; высшей водной растительности: погруженных макрофи-тов, растения с плавающими листьями, прибрежно-водноя растительности; растительности поименных лугов (осочнихов) и кустарниковое растительности поймы (ивняков). Биомассы групп бентосных организмов, продукция макрофитов и величины мортмасс луговой растительности и листового опада ивняков задаются в модели как параметры.

Внешними задаваемыми экологическими факторами, обуславливавши ми поведение модоли служат: внутригодовой ход температур вода и воздуха, интенсивности суточной солнечной радиации, атмосферного давления, скорости ветра, уровня озера; среднемесячные значения концентрация субстанций (органического вещества; азота Ш*, N0", N0"; фосфора РСГ; минеральной взвеси; растворенных Ог и С02) во впадающих в озеро реках (Ловати, Мете, Поле и Щелоки); среднемесячные доли этих рек в "бщем стоке в озеро; сроки ледостава.

В зависимости от значения,уровня озера модель состоит из одно-га или двух резервуаров: водной массы котловины озера (существует постоянно) и.поименной водной массы (существует лишь во время паводка). ,принято, что в формировании поименной водной массы участвуют лишь речные вода. Распределение лугов и ивняков по территории поймы не зависит от абсолютной высоты. Высота растительного покрова (РП) ивняков постоянна для всея территории поймы.

Б обоих резервуарах в течение периода открытой воды имитируется газообмен с атмосферой кислородом и углекислым газом. Интенсивность газообмена зазисот от 'скорости ветра: в модели реализовано изменение в зависимости от скорости ветра толщины поверхностной планки воды и площади водной поверхности.

Б обоих резервуарах имитируются следующие процессы в водной толщэ: биосинтез фитопланктона, поглощение при этом из воды СО.,,

биогенов и выделение 0г; дыхательно-выделительные продассы фито-, зоо- и бактериопланктона, включающие деструкцию тканей организмов при обмене веществ, поглощение Ог, выделение С02 и экскретов; бактериальная деструкция лабильного и стойкого детрита, прирост массы разлагающего детрит бактериопланктона, поступление при этом в воду растворенного органического вещества (РОВ); минерализация РОВ, NHJ и МО", расходование при этом Ог; процессы, связанные с питанием зоопланктона; отмирание организмов.

В рззервузре озерной водной массы постоянно, а в резервуаре пойменной водной массы при подъеме уровня озера происходит изменив концентраций компонентов за счет смешивания вод резервуаров с поступающими речными водами. Кроме того, при спаде уровня озера имеет место изменение концентраций компонентов в озерной водной массе из-за поступления вода с поймы. Расчет ежесуточных значений суммарного расхода впадающих в оз.Ильмень рек осуществляется в зависимости от временного хода уровня озера. Ежесуточные значения концентрация субстанций в речных водах рассчитываются таким образом, что их среднемесячные величины равны задаваемым, а внутригодовые динамики описываются склеенными линейными функциями. Аналогично рассчитываются ежесуточные значения долей рек в обшем стоке в озеро. Среднемесячные значения концентраций субстанций в речных водах определены путем статистической обработки данных многолетних наблюдений на сети постов СЗУПСС.

В резервуаре озерной водной массы имитируется также воздействие бентосного сообщества на компоненты водной экосистемы: фильтрация водной толщи моллюсками и хирономидэми и изъятие при этом из водной толки фиго-, бактериоплантонэ, детрита, минеральной и органической взвеси; поглощение при дыхании 02 и выделение С04; выделение экскретов донными организмами.

Взмучивание донных илов тоже имеет место только в резервуаре озерной водной массы. Интенсивность этого процесса определяется в зависимости от скорости ветра и средней глубины с использованием зависимостей и методик, предложенных А.В.Карзушевым и .Л.Н.Иееровячам (ГШ. Имитируются следующие процессы, происходящие в водной толще с взвешенными частицами донных осадков: минерализация органических частиц ила с расходованием Ог, выделением СОг и РОВ, гравитаЮТонное осаждение частиц.

Внутрятодавой ход биомасс мзкрофитов в модели задан в кзчест-

во внешних параметров на основании данных И.М.Распопова (ИНОЗ). Имитируются следующее механизмы воздействия погруженных макрофи-тов (рдестов) т водную экосистему озера: выделение в воду 02 и поглощение из нее С02 и биогенов при фотосинтезе; поглощение 02 и выделение С02 при дыхании; выделение экскретов. Гелофиты (кзмы-ши) при дыхании также частично выделяют С0г в воду. Имитируется накопление рдестами N и Р выв» необходимого .уровня при высоком содержании в воде биогенов и их расходование при низком.

После окончания вегетационного периода происходит отмирание макрофигов и деструкция их мортмасс. Б модели имитируются следующие связанные с деструкцией макрофитов процессы: расходование 02, выделение С02 и РОВ, деструкция фонда накопления биогенов. Часть мортмассы камышей попадает в воду лишь следующей весной, при подъеме уровня озера.

В резервуаре пойменной водной массы отсутствуют процессы вет-ро-волнового взмучивания донных илон, т. к. "дном" здесь является дарнииа или подстилочный горизонт, а также воздействия бентоцено-за. Здесь имитируются следующие специфические процессы: выщелачивание субстанций из мортмассы поименной растительности <травостоя и опада листвы) и их переход в пойменную водную массу; переход субстанций из верхних.горизонтов почвы в воду; поглошзнке 02 и выделенио С02 при окислении мортмассы растительности и почвенной органики; мобилизация субстанция из воды развивающейся на поверхности мортмассы микрофлорой; ослабление солнечной радиации растительностью. Эти процессы параметризованы на основании литературных данных и результатов проведенных автором диссертации натурных и лабораторных экспериментов.

Всего в модели имитируется 275 проиэссов массообкона. Интенсивности этих процессов являются в большинстве случаев функциями нескольких переменных.

Численная реализация модели осуществлена с помощью разработанной автором диссертации программы "ПтроЗта". Физический шаг ин-интегрирования равен 1 суткам, число дроблений этого иага при интегрировании системы уравнений методом Рунго-Кутга принято равным:, для января-марта - »6, апреля-октября - 64, ноября и декабря - 32. При достижении любым компонентом, за исключением количества биогенез в фонде накопления макрофитов и концентрации ьзвсси отрицательного значения предусмотрено автоматическое возвращение к на-

чэлу данного шага интегрирования и удвоенна числа дробления. Для запаса биогенов в макрофигзх и содеркания взвеси в этом случае предусмотрено обнуление значения.

Идентификация модели проводилась путем многократного решения задачи о годовом цикле развитая водно-пойменной экосистемы оз.Ильмень в период с 1 января по 31 декабря 1S88 г. и сопоставления результатов решения с имевшейся натурной информацией. При этом предпринималась коррекция значений коэффициентов л параметров уравнений с целью уменьшения невязки между модельными и натурными вэличинамк. Верификация модели была проведена путем решения задачи на временном интервале с 1 января по 31 декабря 198? г. без введения в модель каких-лийо коррекций.

В качестве эталонного (с результатами которого сравнивались результаты других численных экспериментов) был выбран вариант расчетов 1, в котором все внешние факторы, кроме скорости ветра, заданы на основании среднемноголетнего внутригодового хода гздро-метзозлементов. Внутригодовая динамика скорости ветра в варианте 1 задана идентичной динамике 1988 г., т.к. среднемесячные значения скорости ветра в 1986 году близки среднемесячным за многолет-летяий период. Подобная имитация ветрового режима объясняется тем, та согласно проведенным экспериментам применение в качестве внешнего фактора осредненного временного хода скорости ветра приводит к кардинальному изменению поведения модели экосистемы. Причина этого состоит в резком изменении режима ветрового взмучивания донных осадков. Соотношение площадей лугов и ивняков на пояме озера в варианте 1 задано Согласно результатам наших натурных исследований 1986 ~ 87 г.г.

Воздействие поймы на водную экосистему. Сравнение величин, характеризующих планктон пойменной и озерной водных масс по результатам эксперимента 1 обнаруживает более высокую концентрацию плая-ктона в пойменной водной массе. Так, средние за период паводка значения биомасс фито-, зоо- и бактериопланктона пойменной и озерной водных масс равны соответственно 2.4 и 0.7, 1.2 и 0.4, 0.6 и 0.2 мг сух.в/л. Данный результат подтверждается наблюдениями Ильменской экспедиции: на затопленной пойма нами наблюдались участки интенсивного "цветения" водорослей. Таким образом, молодь рыб гораздо лучше обеспечена кормом в пойменной водной массе, чем непосрествеяно в озере. Удельная суточная валовая продукция фи-

тодлацктона в среднем за период паводка составила для пойменной водной массы 1.0, а для озерной - 0.2 гС/м", или, соответственно, 0.5 и 0.7 гС/м*. Суммарная валовая продукция фитопланктона за период паводка в пойменной водной массе равна 20015.5, а в озерноя - »2761.3 тС. Заметим» что средний за период паводка объем пойменной водной массы составил 0.23 км", в то время как объем озерной - 4.44 км3. Таким образом, с учетом различия объемов водных масс поименная водная масса продуктивнее озерной более чем в 4 раза.

Рассмотрим причины этого. В среднем за период паводка суммарное воздействие лимитирующих факторов снижает интенсивность биосинтеза фитопланктона в озерной водной массе в 4.6 раза, а в пойменной - в 3.8 раз. В обоих резервуарах периоды значительного ослабления биосинтеза относительно непродолжтительны, при этом в озерной водной масса основным лимитантсм является фосфор, а в поименной - азот. В среднем за период паводка дефицит фосфора снижает биосинтез фитопланктона в озерной водной массе в 2.9 раза, а в пойменной - в 1.3 раза. Дэфицит азота, напротив, уменьшает биосинтез в озерном резервуаре лишь в 1.1 раза, а в пойменной - в 1.9 раза. Световые условия в озерной водной массе обуславливают снижение интенсивности биосинтеза фотопланктонз в 1.5 раза, освещенность в пойменной водной массе снижает скорость биосинтеза лишь в 1.1 раза. Пойменные вода существенно прозрачнее озерных. Ведь на пойме отсутствует ветро-волновое взмучива-вание донных илов. Это положительное воздействие РП поймы на световые условия в затопивших пойму водах "перевешивает" отрицательное влияние, обусловленное ослаблением солнечной рэдиадаи РП. В мелководном водоеме с постоянным уровнем не может быть столь благоприятных условий для развития фитопланктона, как нэ затопленной пойме. Первичный биосинтез фитопланктона в подобном водоеме будет подавляться либо высокой мутностью вода из-за взмучивания илов, либо затененном и изъятием биогенов макрпфитами.

Озеро Ильмень гораздо продуктивнее других крупных озор северо-запада России. Для выяснения того, в какой степени эта особенность оаера определяется наличием обширной поймы, с моделью про-проводены эксперименты №2-4. В эксперименте 2 уровень озера постоянен в течение года и равен 18.13 м Б.С. В варианте 3 временной ход уровня озера идентичен варианту 1, однако исключено

шступление в озерную водную массу вод из поименной водной массы при снижении уровня. Вместо них в таком же количестве в озерный резервуар поступают рзчные вода. В эксперименте 4 исключено воздействие на пойменную водную массу пойменных биогеоценозов. Образно говоря, территория поймы "забетонирована": нет растительности, нет воздействия почв, но, в отличие от озерного резервуара, нет и донных илов.

Суммарная валовая продукция фитопланктона озерного резервуара за апрель-август составляет: в варианте 1 - 92761.3, вар-те 2 -- 44339.0, вар-те 3 - 52303.0, вар-те 4 - 52300.3 тонн углерода. Таким образом, продуктивность зкосистеш оз.Ильмень высока именно благодаря наличию поймы. При этом определяющим является воздействие пойменной растительности и почвы, а не морфометрическиа особенности чрезвычайно мелкой акватории затошвнной поймы.

Следовательно, не только высокопродуктивные пастбища и сенокосы Приильменья, но и значительные уловы рыбы в озере обусловлены переменным уровенным режимом.

Теперь определим механизмы. при помощи которых пойма оказывает благотворное воздействие на продуктивность водной экосистемы озера. Согласно результатам эксперимента 1 большую часть времени основным поставщиком необходимых для первичного биосинтеза биогонов служат происходящие в самой экосистеме транслокационныа процессы, т.е. в среднем за год биосинтез фитоплэнктснз основывается на быстрой "оборачиваемости" биогенов в самой водной зкосийтеме. Концентрация биогенов увеличивается благодаря проточноети водоема лишь в самом начале весны, задолго до начала интенсивного развитая фитопланктона. Майский пик развития фитопланктона в значительной степени обусловлен поступлением биогенов из мортмэссы растительности, а летнее развитие поддерживается поступлением биогенов из пойменных почв. Таким образом, если в среднегодовом аспекте поступление биогенов в водную экосистему в результате воздействия погмы относютльно невелико, то весенне-летнее развитие фитопланктона инициируется именно воздействием пойменных биогеоценозов. Навызюшю содержания биогенов в пойменной водной масса обеспечивается в основном их поступлением из почвы и мортмассы рзсти-ти. '

Оз.Ильмень, согласно результатам модельного расчета, по типу баланса органического вещества <0В) принадлежит к автохтонным водным экосистемам. Первичная продукция фитопланктона составляет

лъвиную долю приходной части баланса OB: в среднем за год без учета пойменной водной массы она равна 84.555, с учетом - 85.7%.

При атом весной, во время подъема уровня и в первую половину лета поймз оказывает существенный вклад в баланс OB.

В течение вегетационного сезона продуцирование планктона в osope является доминирующем источником планктона для экосистемы сз.Ильмень. Поступление планктона из пойменной водной массы в озерную в течение мая в некоторой степени способствует интенсификации развития планктонного сообщества в озере и является дополнительным механизмом повышения продукт, зности экосистемы.

Среднегодовое значение отношения деструкции к продукции D/P для озера в цзлом состав-мет 1.03, для озера без учета пойменной водной массы - 1.05. Большую часть вегетационного сезона отношение D/P близко к 1, что указывает на зрелость экосистемы. Незяа-чительнное превышение значением Б/Р 1 говорит, что оз.Ильмень в некоторой степени является природным "очистным сооружением".

В обмене кислородом с атмосферой преобладает инвазия, т. е. аэробные условия в водной экосистеме озера в значительной мере подлрря:ивакггся за счет импорта 0г из атмосферы. Таким образом, оз.Ильмень представляет собой природный азротенк. В среднем за год кислород в озере расходуется в первую очередь на окисление РОВ, в пойменной водной массе на первый план выходит окисление мортмассы растительности и почвенной органики. В конце зимнего шриода аэробные условия поддерживаются за счет поступления Ог с речными водами. В начала половодья и осенью основным источником Oz служит атмосфера. Большую часть вегетационного периода и зимой доминирующим источником Ог дцш экосистемы является фотосинтез фитопланктона. В теченив периода вегетации 02 расходуется большей частью на дыхание планктона, а в остальное время кислород потребляется главным образом на минерализацию РОВ. Осенью в продолжение коротких промежутков времени на первый план в расходовании 02 выходит процесс деструкции взвешенных органических частиц илов.

Содержание растворенного кислорода в пойменной водной массе значительно в апреле - первой половине мая, а.затем весьма кало. Учитывая, что поама - нерестш&ш» и район нагула многих представителей ихтиофауны, можно сделать вывод: для экосистемы оз.Ильмень опасно ухудшение условий газообмена между атмосферой и пойменной водной массой.

Срадняя за год величина биохимического потребления кислорода за 5 суток <БПК5> составляет в варианте 1 для озерной водной массы 4.5 мгО/л, средние за период паводка соответственно для озерной и пойменной водных масс - 3.9 и 30.6, т. е. биохимическое потребление кислорода в пойманной водной массе на порядок выше, чем в озерной. Значения БЛК= в озерной и пойменной водных массах подвержены значительным скачкам.

Согласно эксперименту 1 макрофитнов сообщество незначительно воздействует па функционирование экосистемы оз.Ильмень, Для оценки косвенного влиянии переменного уроненного режима на экосистему озера из-за существенного сокращения зоны распространения мачро-фитов выполнен эксперимент 5. В нем при постоянстве уровня озера увеличена в 3.3 раза годовая продукция рдестов. Сравнение результатов экспериментов Я" 1, 2, 5 показывает, что сокращение возможной акватории распространения макрофитов приводит к увеличению продукции фитопланктона и увеличению биомассы планктона. Происходит снижение содержания растворенного кислорода в июне-июле.

Озеро Ильмень характеризуется крайне высокой биомассой зообен-тоса: она на порядок выше, чем среднее значение для эвтрофных водоемов европейской части России. Это является следствием высокой продуктивности водаой экосистемы озера, котрая, в свои очередь, обеспечивается наличием обширной- поймы. Согласно модельным расчетам бонтосное сообщество слабо влияет на химический состав вод и продукционные процессы в видной экосистеме. В эксперименте 14 имитировалось отсутствие бентоса. Сравнение результатов вариантов 1 и 14 не обнаружило сколь-нибудь существенных различий характеристик водной экосистемы. Поэтому в случав угнетения бентоса в результате накопления токсических антропогенных загрязнителей в донных илах и бентоценоза в функционировании водной экосистемы, исключая рыб-бентофагов, не произойдет существенных изменений. Разумеется, это справедливо лишь до тех пор, пока содержание токсикантов в водной толще не оказывает влияния на гидробионтов.

Поемность и 'ягтенсивность накопления донных осадков связаны положительной обратной связью: в половодье, когда глубина водоема значительна, ввтро-волновов взмучивание донных осадков отсутствует -или весьма ослаблено, т. к. энергия ветра не достигает дна. Возникают благоприятные условия для разгрузки в водоеме богатых терркгенным материалом речных вод и накопления наносов на дне.

Для определения воздействия периодического взмучивания илов на водную экосистему проведен эксперимент 13, в котором взмучивание исключено. На основании сравнения результатов экспериментов 1 и 13 можно сделать вывод, что периодическое ветровое взмучивание донных плов приводит к некоторому снижению продуктивности водной водной экосистемы. Оно является причиной резкого падания биомассы фитопланктона в начале осени, а затем - осеннего максимума фитопланктона. Кроме того, периодическое взмучивание доннных осадков ■ приводит к скачкам биомассы фитопланктона. Осенью взмучивание донных илов приводит к снижению насыщения вода кислородом.

Реакция экосистемы оз.Ильмень на различные сценарии антропогенного воздействия. Для определения воздействия на водную экосистему озера различных вариантов использования территории поймы выполнен ряд экспериментов: пойма полностью заросла кустарником (вар-т 6); луга занимают 100% площади поймы, но не скашивается <вар-т 7); луга занимают 100% площади поймы и скашиваются, отава составляет 10% фитомассы (вар-т 8).

Средняя за период паводка биомасса фитопланктона в пойманной водной массе составляет: в еар-те 1 - 2.39, в вар-те 6 - 1.60, К" 7 - 2.39, К1 8 - 1.80 мг сух.в/л. Биомасса зоопланктона равна: вар-т 1- 1.22, К" 6 - 0.70, N"7-1.29, № 8 - 1.22 мг сух.в/л. Суммарная за паводок валовая продукция фитопланктона в поямонноя водной массе в вар-те 1 равна 127.17, № 6 - 41.32, и 7 - 144.80, Ы" 8 - 141.10 гС/м". Суммарная за год валовая продукция фитопланктона в оз.Ильмень с учетом пойменной водной массы составляет в вар-те 1 - 38.06, вар-те 6 - 33.76, 7 - 38.37, 8 - 39.97 гС/м3. Вероятно, наиболее выгодным следует признать использование территории поймы под сенокосные луга: в этом случае продуктивность озо-озера максимальна, среднее содержание зоопланктона в пойменной водной массе праютчэски не меняется. Однако при этом существенно увеличивается содержат© кислорода в пойменной водной массе. За--. кустаривзяие же поймы приводит к снижению продуктивности экосистемы озера. Можно сделать вывод о нецэлосообразности преобразования пойменных участков в польдеры: в этом случав теряются продуктивные луга и снижается продуктивность экосистемы озера.

Исследованы последствия возможного увеличения содержания в речном стоке загрязнителей тотально-экологического воздействия, оказывающих влияние на функционирование экосистемы в целом, а также

уменьшения содержания в речных водах растворенного кислорода. Проведены эксперименты: увеличено в 2 раза содержание биогенов в минеральных формах <вар-т 9); увеличено в 2 раза содержание ОВ <взр-т 10); увеличено в 2 раза содержание минеральных форм биогенов и ОВ (вар-т 11). уменьшено в 2 pasa содержание 02 {вар-т 12).

Величины, характеризующие фуккционированш экосистемы оз.Ильмень в случае усиления антропогенной нагрузки представлены в таблице 1 < ПРгод -суммарная за год валовая продукция фитопланктона с учетом пойм, водной массы, гС/м"; ПРпойм - суммарная за паводок валовая продукция фитопланктона в пойменной водной кассе, гС/м*; Ф - биомасса фито-, 3,- биомасса зоопланктона, мг сух.в/л ).

Табл. 1

Влияние антропогенного изменения состава речного стока на функционирование, экосистемы оз.Шшмеяь.

N" вар-та 1 9 10 11 12

ПРгод за.06 42.57 45.10 49.52 38.08

ПРпойм 127.17 129.72 129.05 130.92 127.27 среднегодовые величины в озерной водной масса Ф 0.44 0.49 0.49 0.54 0.44

3 0.26 0.29 0.3) 0.33 0.26

ВПК» 4.46 4.87 5.71 6.09 I, 4.46

средние за"пав дек величины в пойм. воды, масса Ф 2.39 2.59 2.53 2.67 2.39

3_1.22 1.23 1.23 1.25 1.22

Продуктивность экосистемы максимальна в случае совместного увеличения поступления биогенов в минеральной форме и ОВ. В условиях увеличения загрязнения речного стока максимум повышения содержания фитопланктона приходится на майский пик развития и начало лета, в остальное время концентрация фитопланктона Во всех экспериментах незначительно от личается от содержания фитопланктона в варианта 1. С зоопланктоном кзрткна другая: здесь повышенные значения концентрация наблюдаются в течение всего вегетационного периода. На первый взгляд эти изменения могут показаться позитивными, однако при этом ухудшается качество водной среда: увеличивается величина БПКа и снижается подержанно 0г. Лишь в эксперименте 9 нзблвдэлось некоторое увеличение содержания в водо Ог, в осталь-

ных эксшриментах концентрации 0г го сравнению с вариантом 1 снижены. Особенно пагубным для экосистемы оз.Ильмень окажется снижение содержания Ог в речном стоке в озеро: в эксперименте 12 отмечено существенное снижение концентрации 0г в водах озора в конце зимы - начале весны. Последнее может крайне негативна сказаться на ихтиофауне. Летом наибольшее отрицательное воздействие на экосистему озера мо-кет оказать увеличение содержания в речных водах 08: в эксперименте 10 наблюдалось наибольшее снижение концентрации 02 лотом. По БПКз наибольшего ухудшения качества воды следует оки-идать при одновременном увеличении содержания в речных водах ОВ и биогенов в минеральных формах. Изменение состава речных вод повлияет на пойменную водную массу лишь весной. Наиболее опасно уменьшение содержания 0г: произойдет снижение концентрации 0г в пойманной водной массе как раз в период нереста.

Основные вывода: 1) Поймы существенно повышают продуктивность экосистем водоемов; 2) Представленная модель может служить инструментом для установления экологически обоснованных пределов антропогенного воздействия на экосистемы водоемов; 3) При использовании поймы оз.Ильмень под сенокосы продуктивность экосистемы озора максимальна; 4) Ожидаемые антропогенные изменения состава речных вод окажут на экосистему оз.Ильмень отрицательное воздействие.

Публикации по тема диссертации. 1) Влияние рэзл. экология, факторов на инт-ть гарвич. биосинтеза//Вестник ЛГУ,сер.7,вып.4,1987, с.104-107 (в соавт. с В.В.Дмитриевым). 2) Моделирование развития водной и водно-донной экосистем Швскоя губы и вост. части Финского залива//Охр. окр. среда от загрязнения выбросами ЦБП - Л.,1387, с.13-17 (в соавт. с В.В.Дмитриевым). 3) Сезонная динамика содержания биогенных элементов и влияние разд. экол. факторов на инт-ть первич. биосинтеза в оз.Ильмень//Актуальные проблемы совр. лимнологии. Тез.докл. 1 Бсвсоюзн.кокф,мол.уч-х - Л.,1988, с.63 <в соавт. с А.В.Бойцовым. В.И.Васильевым, А.Н.Огурцовым). 4) Содержание орг. вещ-ва и кислорода в водах оз.Ильмень//Акгг. пррбл. совр. лимнологии - Л.,1888, с.64 ( соавт. с А.В.Бойцовым, В.Ю.Васильевым, А.Н.Огурцовым). 5) Внутригодовая изменчивость конц-ий биог. элвм--cib, орг. углерода, азота, фосфора и раств. кислорода в водной экосистема оз. Ильмень//Вестник ЛГУ, сер.7,1989,вып.3, с.106-111 <в соавт. с Л.В.Бойцовым, В.Ю.Васильевым, В.В.Дмитриевым,А.Н.Огурцовым, Ю.Н. Сергеевым).

8) Особенности функционирования современной водно-пойменной экосистемы оз.Ильмекь//Охр. окр. среды от загрязнения выбросами ИБП Л., 1089, с. 24-29 (в соавт. с Г.И.Козловой). 7) Оценка состояния и тенденций изменения экосистемы оз.Ильмень на основе диагностшси и имитационного моделировэния//Рациональное природопользование в районах избыточного увлажнения. Тез. докл. всесоюзн. конф., Калининград, 1989, о.104-105 (в соавт. с В.Ю.Васильевым, В.В.Дмитриевым, А.Н.Огурцовым). 8) Годовой цикл наблюдений за функционированием экосистемы оз.Ильмень//ГосНИОРХ, сб.научн.тр., вып.302, Л.. 1989, с.61-67 (в соавт. с А.В.Бойцовым, В.Ю.Васильевым, Т.А.Васильевой, А.Н.Огурцовым). 9) Моделирование годового цикла функционирования водной экосистемы оз.Яяьмень//ГосНИОРХ, сб.научн. .р., вып.302, Л., 1989, с.85-92 (и соавт. с В.Ю.Васильевым, В.В.Лдег-риевым). 10) Матемэтическое моделирование водных экосистем на примере имитационной модели оз.Ильмень//Экол. проблемы рац. использ. и охраны водных ресурсов сев.-зап. европейской части РСЖЗР. Сб. тез.докл.регион.конф.,Вологда, 1990, с.20-21 (в соавт. с А.В.Бойцовым, В.Ю.Васильевым, 3.В.Дмитриевым, В.П.Кулешам, А.Н.Огурцовым, Ю.Н.Сергеевым). 11) Современное состояние оз.Ильмень//География и современность, вып.6, Межвуз.еб.- СПб.: Изд-во СГИГУ, 1992, с.94-110 <в соавт. с'В.Ю.Васильевым, А.Н.Огурцовым, Е.В.Станиславской). 12) Investigation of special features oi water quality formation of the rivers, which inflow into the Baltic sea through fLowing lake ecosystems// 18-th conference of the Bait*--, oct-anographers, 1992, St.Petersburg, preliminary program, abstracts, p.87. 13) Методика математического моделирования процессов в водно-поименных экологических системах//Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха: Тез.докл. на межгос.научной конф., Пермь, 1993, с.129-130. 14) Исследование особенностей процессов в водао-повмевных экологических системах при помощи математического модолирования//Охр. окр, среды от загрязнений пром. выбросами ЦБИ,Меяазуз.сб.научн.работ.СПБТИ ЦБП, СПб., 1993,с. 129-138. '5) TnveTtlgation of special features of water quality formation of the rivers, which inflow into the Baltic sea through flowing lake eoo3ystem3//rroceedings of the 18 Conference of the Baltic. oceanographer3, St.Petersburg, 1993.