Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временные структуры гидрохимических полей как объект мониторинга состояния водных систем

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

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные структуры гидрохимических полей как объект мониторинга состояния водных систем"

V П - ^

московским ордша. Ленина, ордена октябрьской револщии и

ЗРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31АМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ТУШИНСКИЙ Сергей Георгиевич

УДК 504.4.06 .

1Р0СШНСТВШЮ-ВРЕШШЕ СТРУКТУРЫ ПЩГОХИШЧЕСШ: ШЛЕЯ КАК ОБЪЕКТ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ВДЩШ СИСТЕМ

II.00.II - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Носова 1989

Работа выполнена на кафедре рационального природопользования географического факультета Мосховокого государственного университета хм. М.В.Ломоносова

Официальны« оппоненты: доктор географических наук, отарший научный оотрудшпс Н.Ф.Глазовокий

доктор биологических яауж, профессор В.Н.Максимов

доктор географических на ух, црефеоао] В .М. Широков

Ведущая организация - Институт Озероведения АН СССР (г Ленинград)

Защита диссертации оостоитоя " ^к^ел % 1990 г. в 15-00 на заоедании физико-ге«графического специализированного омета Д-053.05.29 при Московском государственном университет« хм. М.Б.1оыоносова по адресу 119899, Москва, ГСО-3, Ленинокие горд 11ГУ, географичеокнй факультет, 18 отаж, ауд. 18-07

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек« географпес*«: факультета МГУ на 21 атаже.

Автореферат разоолая " 2?- " фе^а-л^ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических яауж

Т;И.Ксндрать«ва

i ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. В- комплексе мероприятий, принимаемых нашей стране по охрана водных ресурсов и их защите от загряз-ения, большая роль принадлежит системе мониторинга качества по-ерхностных вод суши, необходимой для получения информации, яв-япцейся основой для принятия решений по предотвращению ножела-олышх последствий и оптимизации управления состоянием водных бъектов.

В настоящее время контроль качества поверхностных вод осу-|ествляется примерно в четырех тысячах пунктов по физическим и имическим показателям и в тысяче пунктов по гидробиологически!! юказателям, охватывая более 2000 водашх объектов на территория !ССР. Однако, как отмечалось на У Всесоюзном гидрологическом «.езде в Ленинграда, среди направлений совершенствования систе-ai контроля состоя ¡гая поверхностных-вод первое место занимает штимизация размещения пунктов наблюдений и частоты отбора проб, 1то требует проведения теоретических и экспериментальных иссле-10В31ИЙ водашх систем.

В проблеме охраны и рационального использования природной зреды на современном этапе важной задачей является разработка иучно-ыетодических основ системы наблвдоний за загрязнением товерхностных вод суши. Это направление является наиболее акту-мьним по мнению О.А.Алокина (1984), который отмечает необходимость исследований пространствешю-временных изменений состава зод по годам, сезонам, суткам, изучение однородности хш.ачоского состава вода по акватории, глубине или по территории бассейна.

Существующая сеть наблюдений в настоящее время не позволяет получать достаточно репрезентативную информацию для отдельных водных объектов, на что указывалось в целом ряде работ В.Л.Павол-ко (1972, 1981), А.М.Никанорова (I93G), А.М.Никанорова и В.В.Цир-кунова (1989) и других.

Оптимизация системы наблюдений долаиа включать в себя учёт пространственно-временной неоднородности состава вод на каждом водном объекте, что требует проведения исследований пространственно-временных закономерностей распределения состава вод.

В настоящее время наиболее изученной областью пространственно-временной динамики состава вод являются ыакронеоднород-

ности, связанные с ыежгодовой и сезонной изменчивостью гидрологической структуры водохранилищ (Буторин, 1969; Ершова, 1971; Эдельштейн, 1983). Однако, для решения задач мониторинга необходимо изучение закономерностей от внутрисезонной до суточной динамики неодродностей, охватывапцей широкий диапазон пространственных масштабов.

^ Проведенный . автором (Тушинский, 1987) анализ состояния изученности этих проблем как в нашей стране, так и за рубежом показал, что исследования, проводимые в этом направлении, в большинстве случаев, носят характер поиска статистических связей и не отражают природу возникновения и трансформации разномасштабных пространственно-временных неоднородностей, что, несомненно, затрудняет использование таких результатов в решении практических задач, связанных с оптимизацией системы наблюдени! и контроля загрязнения водных объектов - основной задачей мониторинга водных систем.

В связи с этим возникла острая необходимость исследования закономерностей формирования и распределения пространственно-временных неоднородностей состава вод. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение'таких закономерностей позволит использовать их в решении задач, связанных с оптимизацией контроля загрязнения водоемов и созданием репрезентативно! сети наблюдений.

Цели и задачи работы. Основными целями выполненного исследования являлись: разработка теоретической модели формирования пространственно-временных неоднородностей состава вод на основ« представлений о разномасштабной изменчивости параметров качества воды; выявление основных процессов, определяющих трансформацию неоднородностей; экспериментальное подтверждение основных теоретических положений; разработка методов оптимизации систем наблюдений за качеством воды для контроля загрязнения водоёмов в рамках мониторинга водных систем.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

I) на основании обзора результатов опубликованных исследований и наблюдений автора выявить характер пространственной и временной изменчивости, а также основные факторы, влияние не динамику состава поверхностных вод;

2) обосновать комплекс натурных экспериментальных исследо-ваш!й для изучения пространственно-временно!! изменчивости гид- -рохимических полой, разработать методику и провести наблюдения;

3) изучить динамику пространственно-временных неодпород-ностей распределения кинетической энергии водоемов как основного фактора образовать неоднородностей полей качества воды и загрязнения;

4) изучить пространственно-временную динамику неоднородностей состава вод в диапазоне маситабов от нескольких часов до суток и сезонов года и от нескольких десятков метров до десятков километров, вплоть до размеров акватории водохранилищ;

5) разработать обобщенную схему и обосновать структуру колебаний показателей качества воды и их трансформации в водоемах;

С) разработать методику оценки частоты наблвдений во времени для разномасштабных временных неоднородностей состава вод и обосновать методику расчета распределения пространственных неоднородностей состава вод в водохрашишцах.

Методика исследований. В основу работы положены прежде всего материалы исследований автора на Можайском, Угличском, Рыбинском и Шекснинскомводохранилищах, а также на кашле им.Москвы (включая водораздельную систему водохранилищ) и Волго-Балтийском канале, выполненные в 1975-1987 гг., а также данные по Яузскому, Иваньковскому вдхр. и верховьям Волги, собранные сотрудниками Гидрохимического отдела и экспедиции географического факультета МГУ и обработанные автором. Были также использованы и обработаны автором дашше из литературных источников, крупномасштабные лоцманские карты исследуемых водохранилищ.

Для сбора данных на протяженных участках водных объектов автором били организованы экспериментальные исследования, заключавшиеся в квазисинхрошшх съёмках водоёмов (с продолжительностью, не превышаксдай период изучаемой изменчивости) и заключавшихся в измерении ряда физико-химических показателей и отборе проб. Аналитические определения осуществлялись сотрудниками Гидрохимического отдела.

При анализе и обработке данных использовался метод спектрального анализа, модифицированный автором для расчетов информативности наблюдений, а также метод кластерного анализа, алго-

ритм которого разработан б Гидрохимическом отделе под руководством автора.

Научная новизна работы заключается в том, что. впервые фо{>-. шрование пространственно-временных неоднородностей состава вод рассматривается как сложный ыногофакторний проЦосс, обусловленный разномасштабной структурой колебаний соответствующих характеристик.

Разработана методика комплексных исследований формирования и трансформации пространственно-времешшх неоднородностей на основе анализа спектральной структуры колебаний и распределешш однородных по составу воды зон.

Экспериментально установлено и обосновано теоретически влияние морфометрических особенностей водоемов на процессы трансформации кинетической энергии водохранилищ и распределение пространственных неоднородностей состава вод. На Этом основании разработана методика выделения потенциально однородных зон в водохранилищах.

Практическое значение работы. Исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ географического факультета МГУ в рамках программ, утвержденных Советом Министров СССР и ГКНТ СССР (Разработать принципы и пути управления формированием качества воды на основе изучения основных гидрологических, физико-химических и биологических процессов; Разработать научные основы управления] качеством воды сложных водохозяйственных систем в условиях зарегулированного стока и различной интенсивности антропогенного воздействия на водосборный бассейн; Разработать принципы оптимизации наблюдений, метода и средства автоматизированных наблюдений и контроля на водных объе: тах), где нашли отражение, в виде соответствующих разделов, результаты исследований и разработки автора по проблеме динамики пространственно-временных неоднородностей качества воды и рекомендации по методикам оптимизации систом наблюдений.

Часть работ выполнялась автором по планам хоздоговорных работ: "Исследование пространственно-временной неоднородности гидрохимических полей с целью разработки методов расчета системы наблюдений ОГСНК" (с Гидрохимическим институтом Госкомгидро-мета); "Разработать.методики оценки интенсивности продукционно-

;эструкциогашх процессов для контроля состояния водных объек-'ови (с Гидрохимическим институтом), которые приняты Заказчя- . ;ом с положительными оценкаш. Кроме того, автор принимал уча-¡тнв в выполнении ряда других договоров Гидрохимической экспе-сиции, в которых ому принадлежат прикладные разработки по проб-гамам оптимизации систем наблюдений на ряде водных объектов ис-?очнихов централизованного хозяйственно- питьевого водоснабке-ня г.Москвы.

Разработашыа автором положения о структуре пространствен-io-времешшх неоднородноотей качества воды и методах оптимизации систем наблюдений включены в программу спецкурсов "Методы шализа и контроля природной среды", "Введение в мониторинг", -'Наблюдения и обработка геоинформации" для студентов кафедры ¡ационального природопользования географического факультета МГУ. 'езультаты исследований используются в читаемом автором разделах яда спегкурсов t а также курса лекций "Проблемы экологического юниторинга" на географическом и биологическом потоках спец.от-;еления по переподготовке кадров по новым перспективным напраз-[01шям науки "Экология и повышение эффективности использования [риродных ресурсов".

Предмет запиты состоит в том, что в диссертации разработа-oj теоретические и методические основы обоснования систем наблюдений за качеством воды для контроля загрязнения па основе уточ-гония понятия пространственно-временных нооднородпостей состава юд, образупцахся под влиянием трансформации кинетической энер-тш водоемом. Данное положение является одним из частных случа-IB описания единого процесса обмена веществом и энергией в але-¡энтах географической оболочки.

Основное внимание в работе автор уделил изучению масштаб-юй структуры пространственно-временных нэоднородностей, что [озволило:

- установить ведущие процессы и выявить закономерности »бразования неоднородностей состава вод;

- разработать методику определения потенциально опасных юн загрязнения в водоемах;

- Разработать методики оптимизации систем наблюдений во ipewemi (по частоте) и в пространстве (по дискретности и pao-

положению точек контроля качества вода).

Проведенное исследование направлено на решение важной народно-хозяйственной проблемы рационального использования водных ресурсов путем использования полученных результатов в качестве научно-методической основы оптимизации мониторинга водных систем.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях "Современные проблемы и метода географических исследования" (Москва, МГУ, 1975, 1977 гг.); У и У1 Всесоюзных совещаниях по круговороту вещества и энергии в водоемах (Лиственичное на Байкале, 1981, 1986 гг.); Всесоюзном семинаре-симпозиуме "Пространственно-временные структуры гидрофизических и гидрохимических характеристик моря" (Таллинн, 1981); 2-ом Международном симпозиуме по геохимии природных вод (Ростов-на-Дону, 1982); Всесоюзной конференции "Проблемы экологии Прибайкалья" (Иркутск, 1982); конференции "Гидрологические исследования и водное хозяйство в бассейне р.Москвы"(Москва, 1983); 3-ой Всесоюзной конференции "Динамика и термика водохранилищ и эстуариев" (Москва,1984); УП Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам' прогнозирования и контроля качества вода и озонирования (Таллинн,1985); Ш Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы"(Ташкент, 1985); У Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1985); ХХУШ и XXIX Всесоюзных гад-рохимических совещаниях (Ростов-на-Дону, 1984, 1987); расширением научном семинаре Лаборатории качества вод ГГИ (Ленинград, 1988); научном семинаре Отдела водных проблем Карельского филиала АН СССР (Петрозаводск, 1988); научном семинаре кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ, заседании кафодры рационального природопользования этого факультета . (Москва, 1989).

Объем работы.Диссертация состоит из введения, шести глав, ваклотения, списка литературы и приложения. Работа содержит 296 страниц машинописного текста, 138 иллюстраций и 42 таблицы. Сшсок литературы состоит из 273 наименований. Во введении даётся общая характеристика работы.

Глава I. ВРЕМЕННАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КАЧЕСТВА ВОДУ

Глава посвящена анализу факторов образования неоднород-ностей состава вод п качественному описанию пространственно-временной измэнчивостн гидрохимических полей водных объектов на основе обобщения результатов опубликованных работ и исследований автора.

Основное внимание обращено на многообразие факторов фор-гарования и трансформации природных и антропогенных неоднородностей, вызванных как условиями на водосборах, так и внутриво-досмшши ПрОЦ8ССа1.К1.

К основным факторам пространственно-временной изменчивости показателей качества води с полним основанием могут быть отнесены дашамическио процессы, а также физико-географическио и геохимические характеристики водосбора, величина водности. Ванную роль играют и источники загрязнения, хотя их вклад может проявляться скорое в амплитудныл характеристиках, в то вреь мл как пространсгвенно-времешше неоднородности показателей ica— часгва води будут в большей степени подворжаш факторам динамики водных объектов.

Рассмотренные нами исследования вроменной динамики качества воды наглядно' продемонстрировали наличие мелгодовой иилепчз-вости сезонных и мелкомасштабных колебаний показателей. Но одно--родности состава вод проявляются не только во времени, но и в пространстве, а особенно в их пространственно-временной динамике. Проведенный в главо анализ продемонстрировал сущестзовзниэ сложной структуры пространственно-временной изменчивости физико-химических и ряда гидробиологических показателей. Это позволило нам сформулировать необходимость подхода к исследованиям водных систем с позиций масштабности: процессов и явлений.

Наряду с гидрохимическими, гидробиологическими процессами, а также антропогенным воздействием основним фактором, определяющим структуру полой качества воды является совокупность динамических процессов. Возникновение и перемещение полей с определенными гидрофизическими, гидрохимическими и гидробиологическими характеристиками подчиняется закономерностям связанным с рао-пределением вещества и энергии.

В ряду изменчивости параметров водных систем, наиболее маломасштабным во времени следует принять суточный период, обусловленный соответствуюцим циклом химических и биологических процессов. Синоптические процессы также могут оказывать влияние на структуру временной изменчивости физико-химических показателей. Далее, естественно, наблюдается сезонная изменчивость, оцениваемая периодами в несколько месяцев и,' наконец, наиболее крупномасштабная временная изменчивость, связанная с годовыми и шжгодовыми колебаниями.

Пространственная изменчивость структуры гидрохимических полей также может рассматриваться как совокупность многомасштабных явлений.

К макропространственным изменениям структуры гидрохимических полей следует отнести такие, которые охватывают весь водоем. При этом масштабы по горизонтали и вертикали будут значительно отличаться. Соответствующая временная изменчивость будет обусловливаться, очевидно, сезонными явлениями. Здесь следует отметить, что в малых водоемах ыакропространственные изменения полей могут происходить гораздо быстрее, например при малых глубинах водоема, когда вертикальная перестройка водной массы может занимать периоды в несколько суток и даже менее.

Мезомасшгабныё пространственные неоднородности следует отождествить с неоднородностями, имеющими размеры меньше наименьшего характерного размера водоема, в частности его ширины.

Мелкомасштабные изменения имеют наиболее растянутый диапазон и, очевидно, полностью обусловливаются особенностями физико-химических и гидробиологических процессов. Эти неоднородности тесно саузаны с временной периодичностью таких процессов и явлений, очевидно, проявлением внутрисуточной изменчивости.

Пространственно-временная изменчивость одного из важнейших показателей состояния водных экосистем - содержания кислорода в .водоемах - на фоне суточного хода продукционно-деструкционных процессов, газообмена с атмосферой и т.п. сильно подвержена влиянию динамических процессов, среди которых важная роль принадлежит перемешиванию, вызываемому конвекцией и ветром, адвекцией, обусловленной сгонно-нагонными, компенсационными течениями, внутренними волнами и т.п.

Методология исследования базируется на представлениях о многомасштабности структуры гидрохимических полей, а такие тесной взаимосвязи пространственных и временных масштабов определяющих процессов. Комплекс проведенных исследований охватывает широкий диапазон пространственных и временных масштабов простиракщихся от нескольких метров до размеров акватории водоема и от часов до месяцев и сезонов года.

Глава 2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ЕРШЕНШЕ НЕОДНОРОДНОСТИ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВОДОЕМОВ

Из всей совокупности динамических процессов, действующих в реках, озерах и водохранилищах, в формировании неоднородно-стей состава води основная роль принадлежит процессам переноса, вызвавши течениями и вдркуляциями, а также перемешивании., происходящему в результате турбулентной диффузии.

Такие динамические процессы, как колебания уровня воды, поверхностные и внутренние волны, с^.Чщ в конечном счете приводят к изменению осноешх динамических, характеристик: скорости переноса или интенсивности перемешивания. Динамические процессы в реках, озерах и водохранилищах имеют свои специфические особенности, которые накладывают отпечаток на разам течений, циркуляция и перемешивания. Такая ситуация, в перрутп очередь, связана с различными источниками' энергии движэнля вода.

Крупномасштабные течения и циркуляции в озерах в основном получают кинетическую энергию от ветра. Эти процессы достаточно хорошо изучены в целом ряде водных объектов. Результаты последних исследований в этом направлении подробно отражены в обзорах динамики вод (Филатов, 1983; Тушинский, 1978, 1987).

В больших озерах крупномасштабным изменением поля течений являются колебания скорости, связанные с воздействием атмосферы и проявляющиеся на частоте синоптического цикла с периодом в несколько суток. Это подтверждается целым рядом наследований, проведенных на Великих Американских озерах( Р1ск«1Л ( 1975; 1977; ИагтогМпо , 1379; , 1980; Миг1}и» ,

1)л>Ь»г , 1981), Ладожском (Михайлов, 1982; Филатов, 1983) а Онежском (Еояриной, Лифшиц, 1984) озерах, оз.Байкал (Верболов, 1982; 1986) и других водоемах.

Исследования изменчивости поля течений в водохранилищах проводились в Иваньковском вдхр. (Литвинов, 1985), Рыбинском

(Литвинов, Фомичев, 1982; Литвинов, Буторин, 1930), Капчагай-ском (Колыванов, 19В5), Кременчугском (Николаев, 1985), Волгоградском (Филиппов, 1986), Можайском (Тувинский, 1977, 1984).

Проведенный обобщающий анализ распределения кинетической энергии по характерным периодам как по литературным данным, так и исследования автора, свидетельствует о том, что наиболее мощным источником во всех представленных случаях являются синоптические процессы, на делю которых приходится абсолютный максимум энергии (85-505?). Следующий по уровню энергии источник в больших озерах располагается на периодах, близких к инерционным колебаниям (порядка 16-17 часов); уровень энергии инерционных колебаний скорости течений в больших озерах больше в глубоководной зоне (16-33$). Для прибрех ;ой зоны уровень вклада энергии этого вида течений (5-12$).

Для всех распределений кинетической энергии характерно наличие колебания скоростей течений с суточным периодом, хотя вклад в суммарную энергию этого процесса дня различных водоемов сильно варьирует (9-20$). Периоды колебания 3-10 часов также дают различный вклад <в суммарную кинетическую энергию водоемов (2-16$) и относятся к области процессов, связанных с перемешиванием.

Существование в спектрах течений всех рассматриваемых колебаний для различных водоемов свидетельствует о сходстве сил, возбуждающих динамику вод. Различия в распределении энергии по характерным периодам могут быть объяснены спецификой самих водоемов. Различия же в распределении кинетической энергии в одних и тех же водоемах, но в различных их зонах (открытая часть или прибрежный район), могут свидетельствовать о существенной роли их морфометрии как резонансного фактора по отношению к внешним силам. Пространственные масштабы таких неоднород-ностей в поле течений определяются размерами водоемов. Так, в больших озерах наиболее крупномасштабные, синоптические процессы, могут вызвать возникновение соответствующих циркуляция вод в его отдельных зонах, в то время как для малого водоема под влиянием этого фактора может оказаться весь водоем. Таким образом, степень проявления гидродинамических неоднородностей в различных водоемах будет в значительной степени определяться их морфометрическими характеристиками. "

l

Результаты рассмотрения закономерностей изменчивости гидродинамических полей позволили нам сформулировать основные полого-ния их пространственно-временной структуры как определяющего процесса в формировании неоднородности распределения качества вода.

Макронеоднородности динамики вод озер и водохранилищ возни- " кают в результате притока энергии от внешних источников: солнечной радиации, кинетической энергии ветра, колебаний речного стока. Область проявлений этих воздействий в водоемах определяется

прежде всего их размерам!. Так, образование устойчивых сезонных циркуляции наблюдается только в больших озерах, а роль речного стока проявляется лишь в небольшой приустьевой зоне и макет захватывать значительную часть котловины, вызывая плотностные течения, при существенной разнице плотности вод озера и притока. В В противоположность озерам, в водохранилищах, особенно с малы;.! коэффициентом водообмена (до 2) устойчивые 'циркуляции не наблюдаются. В водохранилищах с коэффициентом водообмена больше 10 (Иваньковское, Угличское и др.) стоковые течения, обусловленные проточностью оказывают существенное влияние на динамику воды (Литвинов, 1985; Литвинов, Буторин, 1980).

Причиной гидродинамических неоднсродностей сезонного масштаба могут являться источники потенциальной энергии, такие как теплообмен с дном," вызывающий конвекцию'в зимний период при ледоставе и весенне-осенняя конвекция, возникающая в результата плотностной неустойчивости водной массы.

Проведенное наш сравнение спектральной структуры гидродинамических полей во всем диапазоне масштабов доказало различия в соотношениях кинетической энергии больших озер и малого водохранилища. Это выражается в преобладании неоднор'одаостей с синоптическими и инерционными периодам! в открытой акватории озер .и снижете в отдельных случаях роли инерционных течений в прибрежной зоне." В малом водоеме основную долю энергии несут крупномасштабные неоднородности синоптического периода, вызывающе, однако, не установившиеся циркуляции, а интенсивное перемешивание водной массы, как это наблюдается на Можайском водохранилищу по оценкам коэффициентов горизонтального и вертикального турбулентного обмена (Тушинский, 1977, 1979, 1982), значения которых составляют соответственно 10^ - 5x10* см2/с и 10"^ - 7x10® см""/с. Значения коэффициентов горизонтального турбулентного од-

каш для Рыбинского вдхр. от 1, 4хЮ5 до 1,9x1 О*3 см2/о (Буторин, Литвинов» 1968)4 Каховского вдхр.0,8хТ03 - 0„2х104 см^/с (Тол-ыазин, 1985), Иваньковского вдхр.2,8 х 10 сы2/с (Литвинов,1974).

Нашими наблюдениями- было показано наличие в малом водоеме колебаний скорости течения с синоптическим (порядка 5 сут) периодом, суточным и полусуточным периодами (рис. 1а,б)., обусловленными притоком энергии от неоднородностей поля ветра (Тушинский, 1977).

Рис Л Структура распределения плотности кинетической энергии ветра (а), течений (б), турбулентного перемешивания (в) в Можайском водохранилище. 1,2 - доверительные интервалы.

В области временных масштабов менее 12 часов наблвдается участок распределения энергии, соответствующий процессу турбулентного перемешивания (риоДв).

Важной особенностью структуры гидродинамических полей являются, как это показали наши исследования, их сильная зависимость от морфометрических особенностей котловины водоема (Ту-

пинский, 1979). В' связи с этим правомерна постановка вопроса о наличии "резонансных частот-', которые .трансформируют тепловуы п кинетическую энергию, поступающую в водоем. Таким траноформн-рувдам фактором, по результатам нашего исследования, является морфометрпя водоема, что может приводить к исчезновению отдель-Ш1х структурных элементов в распределении кинетической энергии, когда невозможно развитие того пли иного вида течений ввиду ограниченности акватории пли глубины, или вызывать дополнительные возмуйения, связанные с характерными особенностями берегов, распределения глубин.

Принимая во внимание сформулированные выше паяожегаш о структуре распределения кинетической энергии и роли морфометрии, следует, очевидно, говорить о показателе гидродинамической активности водной массы, как спектральном составе распределения кинетической энергии. В этом случае структура гидродинамических палей конкретного водоема будет определяться основными источниками притока энергии извне и внутрен: '.или источниками возмущения морфометрического характера (рис.2).

Ь II

Рис.2 Обобщенная схема распределения плотности кинетической унергпн: а-б - зона двумерно-изотропного не;.<::.!е-гиш:г.;я, б-с - но-пзотропное персметилние-.

В - иихли.'а, П - глубина водоема

Трансформацию структуры гидродинамических полой, в исследованиях механизма формирования пространственно-временных поодно-родностей качества воды, можно характеризовать основными параметрами морфометрии: I) глубиной водоема (или глубиной залегания тормоклина) - как области развития вертикального турбулентного перемешивания и трансформации интенсивности горизонтальной диффузии; 2) шириной и (или) длиной водоема как фактора пространственного ограничения развития горизонтального перемешивания; 3) площадью вертикального сечения, перпендикулярного основному направлению перемещения водной массы, как единичной метрики объема - косвенного показателя инерционности водной массы по отношению к вне шиш воздействиям.

Общая структура гидродинамических полей озер и водохранилищ будет складываться из неоднородностей. вызываемых источниками поступления энергии и резонансным откликом самого водоема. При одинаковом внешнем воздействии различия в спектральном составе распределения кинетической энергии будут проявляться в трансформации пространственно-временных неоднородностей под влиянием морфометрии водоема.

Глава 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

В главе рассмотрены теоретические основы исследований пространственно-временных неоднородностей гидрохимических полей и обоснованы методы натурных наблюдений.

Спектральный анализ пространственно-временной структуры полей качества воды. Изменение значений параметров, характеризующих качество воды, носит характер колебательного процесса и может быть представлено в виде совокупности колебаний с различными периодами, обусловленными как внешними (по отношению к водоему) воздействиями, так и внутриводоемтйши процессами. Определение структуры процесса как совокупности колебаний ка- ' кой-либо характеристики можно с успехом осуществить, если прибегнуть к автокорреляционному и спектральному анализам (Кайся, 1972; Дженкинс, Ватте, 1972 и др.).

Физический смысл спектрального анализа рядов наблюдений заключается в их разложении на составляющие гармоники с характерными периодами. Обычно, при анализе временных рядов оперируют разложением по частотам, а для пространственных рядов -

по волновам числам. Такое разложение, осуществляемое математи-чоскшл методами, аналогично спектральному анализу в химии ми физике. При этом спектр характеризует распроделешю дисперсии псого ряда набдвдений но характерным колоба1Шям. Наличио кола-багсий с какими-либо частотами (периодами), волновыми числами (пространственными неоднородностяып), вырачается пиками, высота которых пропорциональна диспераш этого-колебания, а отсут-ствио - провалам. Сказанное удобно проиллюстрировать следующими идеализированными ситуациями: I) синусоидальный характер изменчивости - споктр состоит из лиши на частоте характерного периода; 2) тренд а изменении величины показателя - спектр состоит из линии на нулевой частоте (период стремится к бесконечности); 3) постоянное значение показателя - отсутствие изменчивости проявляется в нулевом значении дисперсии.

Реальные ситуации намного сложнее, однако в принципе они. могут бить представлены как совокупность рассмотренных примеров.

Реализация метода осуществлялась на базе программ спектрального анализа, использующего алгоритм бистрого преобразования Фурье ЕПФ (Курьянов, Медведева» 1938) на ЭВМ БХМ-б и дополнена элементами, необходимыми для приложения к исследованиям структуры полей качества воды в применении к оценкам и обоснования системы наблюдений (норшрованние спектры, оцешш достоверности пиков спектральной плотности, интегральные спектры - споктри информативности) (Тушинский, 1981).

Расширение применения классического спектрального анализа к исследованиям качества вода заключалось в использовании скользящего спектрального анализа (Рояков, 1979; Ска1}ы1Л , 1980), который дает возможность извлекать качественно новую информацию и применим к исследованию нестационарных временных рядов, наиболее распространенных в реальных условиях. С помощью этого метода впервые исследована значимость отдельных процессов в формировании качества воды и динамика их энергетических характеристик.

Для проведения скользящего спектрального анализа данных по динамике показателей качества воды под руководством автора била реализована программа на ЭШ ДВК-2 ("Электроника ОНО.Г").

- Г6 -

Анализ пространственных неоднородностей. Изложенный выше метод хотя и применим для анализа пространственных неоднородностей полей качества воды, однако имеет ряд ограничений. Это касается прежде всего кёсткого требования к равнодискретности наблюдений, что далеко'не всегда выполнимо, а в ряде случаев и нецелесообразно. В то же время, в целом, используемый нами подход к оптимизации систем наблюдений базируется на поиско неоднородностей (пространственно однородных зон) характеризующихся совокупностью признаков.

Выделение участков однородных гидрохимических показателей (будь то показатели качества воды по акватории озера или водохранилища, или в речных створах по территории водосбора, вдоль водотока) по совокупности признаков может быть осуществлено о помощью математических методов классификации.

В классификациях качества воды можно отметить ряд удачных подходов (Боценкк и др., 1981; Белкин, 1984; Кокова, Шестина, 1981;- Стучевский, 1986; Павелко и др., 1979).

Используемый в работе алгоритм классификации качественного состава вод суши по критерию минимума евклидового расстояния разработан по^ руководством автора и является, развитием подхода, предложенного для задач речного стока (Жук, Романова, 1981).

Методика наблюдений и объекты исследований пространственно-временных неоднородностей качества воды. В основу методики изучения закономерностей изменчивости.гидрохимических полей впервые положен принцип рассмотрения показателей качества воды как . естественных трассеров , характеризупцих процессы дифференциации вод на пространственно однородные зоны или однородные во времени периода. Такой принцип основан на представлениях о регистрации (путем наблюдений за физико-химическими или гидрохимическими показателями) следствий внешних по отношению к водоему шш внутриводоемных процессов, приводящих к формировании йе-однородностей качества воды.

При анализе пространственных неоднородностей мы исходили иэ следующих возможных ситуаций. Весь "набор" неоднородностей ыоскет быть заключен между двумя предельными ситуациями: I) в водоеме может существовать бесконечное количество неоднородностей точечного масштаба; 2) в водоеме может существовать одна

неоднородность (весь водоем однороден) с масштабом, соизмеримым с его пространственнш.и размерами. В реальной ситуации долины существовать некоторые промежуточные сочетания количества неоднородностей и их масштабов.

При анализе временных неоднородностей предполагается, что в водоеме протекают процессы, имеющие характерные периоды изменчивости, вызванные как внешними воздействиями (приток и сток, ветер, "солнечная радиация и т.п.), так и внутриводоемшми процессами (химические реакции, фотосинтез, перемешивание и т.п.). Следует отметить, что очевидно, химические и биологические процессы, влияние водосбора и источников загрязнения является факторами, увеличивающими степень неоднородности состава вод, а гидродинамические процессы (в частности, перемешивание) ведут к выравниванию распределений характеристик.

Таким образом, показатели качества воды могут рассматриваться как естественные трассеры , отражащио следствие всех слоеных процессов взаимодействия и обмена еощоством и энергией в водоемах.

В основу изучения закономерностей динамики пространственно-временных неоднородностей поставлена задача изучения основных факторов и процессов, обуславливающих изменчивость состава вод. Поэтому наблюдения проводились на ряде типичных водных объектов. Такой ряд объектов включал водохранилища, каналы и участки рек:

1. Водохранилища - Можайское, Яузское,Чершгвское (расширение канала Яуза-Руза в системе ВГТС), Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Шексшнскоа.

2. Каналы - канал иы.Москвы (включая водохранилища водораздельного бьефа), водораздельный участок Волго-Балтийского канала (от Ковжи до Вытегры).

3. Реки - верховья р.ВОдга о притоками и временными водотоками (ручьями) от пос.Салиаарово до г.Ржев.

4. Зоны загрязнения и антропогенного влияния в районе г.Череповца (Рыбинское вдхр.) и г.Кондопога'(Кондопожская губа Онежского озера).

Автоматизированные измерения в режиме дискретной (высокочастотной с периодом порядка 144 с) регистрацией таких пока-

зателей, как температура вода, содержание кислорода и величины {Е на' вертикали (до 5 горизонтов) или на автономном носителе (катере) вдоль водоема в поверхностном горизонте, а также путем дискретных измерений на характерных разрезах таких показателей как температура воды ( Ь ), электропроводность ('га ), мутность (у* ), величины рН, ЕЬ- , активность ионов хлора ( рС£ )0 натрия ({>№), содержания кислорода (02). Такие наблюдения осуществлялись как серийными приборами типа "Оксимет-1" для определения I иОо (Марвет, 1980); рН-125 для измереш!й рН (Страдомсклй, Завоса, 1933); КА.П-105 (НПО "Аналитприбор, 1985") для измерений Ь , ж ,

, рН, ЕК , рСЬ , рМа , так и с помощью автоматизированных установок, разработанных в Гидрохимическом отделе для регистрации физико-химических показателей (Гаврилов, Шинкар, 1977) и продукционно-деструкционных характеристик (Сапожников, Шинкар, 1980).

При автоматизированной регистрации 1 , 02 и рН на пространственных разрезах с учетом инерционности комплекса (порядка 3 мин по 02) дискретность составляла порядка 30-40 м.

Дискретные измерения осуществлялись в специально сконструированной кювете из оргстекла с прокачкой (дискретно с учетом "холостой" пробы) с помощью диафрагменного насоса, изготовленного из стеклопластика и установленного позади кюветы. После проведения измерений эта проба отбиралась на дальнейший анализ в лабораторных условиях. Прокачная система была установлена на маломерном судне и обеспечивала отбор проб с горизонта 0,5 м.

Второй тип наблюдений состоял в дискретном отборе проб с последующим определением соединений азота и фосфора, перманга-натной окисляемости (в день отбора пробы), а также ряда металлов ( Ре, Мп-, Са, Мд , 2 п. , Си ) на атомно-абсорбцяонном спектрофотометре ХИТАЧИ-180-70 и К и Яа на пламенном фотометре ЭДАФО-4.Определялась только растворенная форма металлов. Все гидрохимические анализы и инструментальные определения на металлы-осуществлялись в гидрохимической лаборатории сотрудниками Гидрохимического отдела.

Частота наблюдений и пространственная дискретность выбирались, исходя из задач исследования, т.е. с позиций описания тех или иных временных колебаний или пространственных неоднородно-стей.

Для анализа высокочастотных процессов (внутрисуточной из- . менчивости) с периодичностью в несколько часов использовались данные наблюдений с дискретностью от 10 мин до I часа, полученные с помочью автоматизированных установок, для определения" , Og и рН. Пространственные неоднородности с масштабами от 100 и до нескольких км анализировались также по данным автоматизированной регистрации t , О2, рН с дискретностью порядка Э0-40 м.

Для анализа закономерностей внутрисззонной изменчивости исполызовались данные как автоматизированных установок с дискретностью в I час, так и результаты гидрохимических анализов, полученные по ежесуточному отбору проб.

Для ВЫЯВЛ0Ш1Я неоднородностей с масштабам! от нескольких еы до десятков км, обусловленных внешними воздействиями с периодами в несколько суток, дискретность, как правило, не превышала 5 км на участках протяженностью 100-200 км. В зонах антропогенного влияния дискротность наблюдений составляла 300-500 м на участке порядка 15-20 км.

Используемый нами комплокс наблюдений и соответствующие частота и пространственная дискротность позволили охватить все возможные масштабы временных и пространствошшх неоднородностей пслей и выявить закономерности их динамики.

Такой комплекс исследований в тане выбора частоты и пространственной дискретности может быть предложен в качестве основного подхода при планировании обследоваш!й водных объектов в целях разработки систем наблюдений, базирующихся на реальной изменчивости гидрохимических полей.

Глава 4. ДИКАШКА ВРЕМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КАЧЕСТВА В0ДЦ

Результаты проведенных нами исследований и их анализ позволяют представить структуру неоднородностей качества воды как совокупность колебаний с различными периодами, а также охарактеризовать основные процессы и области их влияния.

С точки зрения временных масштабов колебаний скалярных характеристик (показателей качества воды) могут быть выделены три группы наборов гармоник, относящихся к макро-, мозо- и микроне-сднородностям состава вод.

К первой группе относятся процессы, имепцие по[иода годовой изменчивости, полугодовые и сезонные колебания. Наиболее крупномасштабная изменчивость, связанная с межродовыми колебаниями

в наших исследованиях не рассматривается, хотя и присутствует в соответствуют« спектрах в виде тренда с периодом °° . Основным механизмом, вызывапцим колебания с соответствущими периодами, является речной сток и соответствующая изменчивость состава вод под влиянием водосбора, а также характеристики внею него водообмена водохранилища, определящие степень ого проточ-ности.

По результатам спектрального анализа было установлено,что макронеоднородности наиболее ярко выражены в реках, где сезонная изменчивость показателей качества воды прослеживается чЗтк Воздействие водохранилища проявляется не только в регулировании речного стока, но и в сглаживании сезонных колебаний состава вод в его нижнем бьефе. Это прежде всего относится к наиболее консервативным показателям, таким как температура воды и алектр1 проводность. В результате на выходе из водохранилища происходит *размывание" наиболее высокочастотной области спектров.

Колебания менее консервативных показателей, таких как биогены, подвержены более существенной трансформации, что проявляется в перестройке колебательной структуры их изменчивости в водохранилище и появлению периодов, отсутствующих в условиях незарегулированного стока, что связано с внутриводоемныма процессами и изменениями в экосистеме водохранилища.

Мезонеоднородности состава вод водохранилища обусловлены внутрисезонной изменчивостью с периодами от 15 суток до I суток. Нашими исследованиями сезонной перестройки структуры колебаний таких характеристик как температура воды, содержание кислорода и величина рН в Можайском водохранилище доказано существование характерных наборов гармоник в каждый сезон года. Основное сезонное отличие в неоднородностях колебаний качества воды заключается в соотношении роли колебаний с периодами лорядка 15 суток, 5-7 суток и I суток. Таким образом, сезонная дифференциация состава вод водохранилища можчт расшат^ риваться как смена характера колебательных процессов (рис.3).

Внутрисезонная изменчивость проявляется в сочетании наборов колебаний с различными периодами и дисперсией. Наблвдается существенная перестройка колебательной структуры водной мао-сы водохранилища, приводящая к смене ролей длиннопериодной и короткопериодной составляющих в суммарной изменчивости показателей качества воды.

и

л л , КШ1 , р» \ «А 8 .чми

Ц.; и- .

!/ /.'/ /г-у С-И Ш ни Я IX'/ Х-Х!

<у о,1з в*г I 0.1 дд чи 1 щ ал гг.-»

ю.З. Временная изменчивость суммарной дисперсии температуры, содержания кислорода и величины рН и её распределонио па характеришл колебаниям. а - зимняя станция; б - весенняя гсыатердаш; в - развитие летроЯ стратификации; г - летняя стратификация; д - осенняя гомотермин в предледоотавкый период.

Основным механизмом шутрисезоиной неоднородности являются процессы, связанные с прямым внешним воздействием на водоем, проявляющемся в колебаниях притока тепла и кинетической энергии, обусловленных синоптическими процессами с периодами от 5-7 до 15 суток. Эти процессы проявляются в колебаниях гидродинамической активности водной массы, следствием которой и является появление характерных периодов изменчивости скалярных гидрохимических полей.

Нашими исследованиями показано, что мезонеоднородности временной изменчивости наиболее сильно проявляются в поверхностных горизонтах, находящихся под прямым воздействием внешних факторов. Это явление приводит к наиболее четко выраженной структуре коле-йлшй в эпилимнионе, причем внешние воздействия отражаются на колебаниях характеристик без передачи экепгии от низкочастотных колебаний и высокочастотным, а путем наложения колебаний с синоптическими, суточными, а в ряде-случаев и полусуточными периодами, С глубцной интенсивность (дисперсия)-таких колебаний падает, а область масштабов их воздействий увеличивается, приводя к "размыванию" спектров на характерных частотах колебаний.

Наименее активная зона, находящаяся в нижней части эпилим-шона получает энергии, вызывающую колебания показателей качества воды,не только за счет прямого внешнего воздействия, но и в результате "подпитки" высокочастотных колебаний ьизкочастотными. Это явление проявляется через воздействие синоптических, наиболее мощных колебаний на суточную изменчивость.

С.глубиной роль высокочастотных (суточных колебаний и полусуточного периода) снижается и постепенно, ниже термоклина, прослеживается только неоднородность, связанная с синоптическим воздействием. Колебания с остальными периодами в этой области . отсутствуют.

Исследованиями структуры временной неоднородности температуры воды и содержания кислорода в Можайском водохранилище и • чрезвычайно простом по морфометрии и малым водоемом - Чернявском водохранилище показали, что в малом водоеме не развиваются колебания с промежуточными периодами, а суточная изменчивость, наряду о синоптической динамикой являются доминирующими. Следовательно, можно говорить о резонансных частотах водоема, которые влияют на его отклик на колебательное воздействие и развитие в нем неоднородностей определенных масштабов. Здесь можно про-

лести аналогию с гидродинамикой больших озер и малых водоемов, гце з первом могут существовать такие динамические процессы как, например, геострофические течения, возникать устойчивые ветро-шз циркуляции,- инерционные точония, в то время как в малых во-дооиах, таких как Иожайскоо водохранилище,ога отсутствуют или их проявление практически не значимо.

Микронеоднородности гидрохимических полей в водохранилище ассоциируется с временными масштабами, начиная от носколышх ''асов. Нашими исследованиями показано, что начиная с временных масштабов 2,5-3 часа закономерные колебания в споктрах таких показателей как температура воды л содержание кислорода отсутствуют, а распределение дисперсии в частотной области с периодами до 20 минут подчиняются законам турбулентного обмена. Ранее нами было показано, что и в спектрах пульсаций скорости течения и горизонтальной диффузии в этой зоне временных и соответ-ствущих пространственных масштабов процессы передачи кинетичоо-кой энергии подчиняются законам локально-изотропной турбулентности.

Таким образом, микронеоднородностй гидрохимических полей в диапазоне временных масштабов от нескольких часов до десятков минут не содержат характерных периодов колебаний и в этой облао-ти происходит турбулентное перемешивание. Принимая во внимание то обстоятельство, что з отЬм г.с "диапазоне временных масштабов развиваются продукционно-деструкциошне процессы, можно говорить о существенном влиянии турбулентности на интенсивность гидробиологических процессов, что подтверждается спектрами колебаний содержания кислорода в водоеме и его динамики в результате фотосинтеза и дыхания.

Глава 5. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ

ПОЛЕЙ

Многомасштабность пространственных иеоднородностей гидрохимических полей требует, прежде всего, проведения оценок наличия характерных масштабов (дяип воля) в распределениях показателей качества воды. Это направление исследований позволяет внявляты структуры гидрохимических полей как совокупности колебаний показателей качества воды с характерными длинами волн и определять степень неоднородности состава вод.

Другое важное направление исследований заключается в опре-

- 24 - •

делении закономерностей расположения неоднородностей в прост«« ранство, что позволит решать прикладные аадачи по расположение cera наблвдений для контроля качества вода. Выявление закономерностей в пространственной неоднородности гидрохишнеских палей яеляотся основной задачей данной главы.

Оценка масштабов пространственных неоднородностей. Исхсь для из предположения, что структура пространственных неоднородностей гидрохимических полей является "отпечатком" колебательной структуры воздействий на водоемы,нами была проведена оценка характерных масштабов изменчивости показателей качества воды путем автокорреляционного и спектрального анализов реализаций пространственных рядов наблвдений. Полученные при таксы подходе результаты позволили оценивать наличие и вклад в суммарную дисперсию изменчивости показателей качества вода для неоднородностей различных масштабов.

Спектральный анализ колебаний характеристик скалярных полей ( t , 02, рН) показал наличие горизонтальной двумерно-изотропной турбулентности в области ыезоыасштабных неоднородностей с длинами волн от сотни метров до характерного масштаба ширшш водохранилища. В атом же диапазоне масштабов по данным исследований структуры гидродинамических полей наш ранее был установлен инерционный интервал для горизонтальной турбулентности от масштабов порядка 150 и до 1000-1200 м (по наблюдениям в Можайском водохранилище).

Таким образом, процессы турбулентности могут характеризовать динамику пространственных неоднородностей в двух диапазонах масштабов. Первый диапазон соответствует трехмерно-изотропной турбулентности и простирается от масштабов порядка I и до глубины водоема. В интервале масштабов до характерной ширшш водоема распределений дисперсий колебаний параметров качества воды в соответствующих спектрах обусловлено двумерно-изотропной турбулентностью (Рис.4).

Соответствующие размеры наибольших неоднородноотей в другие водохраншшцах (Угличское, Рыбинское, Шакснинское), рассмотренных наш, имеют предельные масштабы в несколько десятков километров.

Таким образом, спектральная структура неоднородностей гидрохимических полей в водохранилищах, определяет распределе-

Рис.4 Структура пространственных колебаний температуры

воды (I), содержания кислорода (2) и величины рН (3) в Яузском И' Можайском водохранилищах

ние дисперсии по характерным колебаниям состава вод и формируется в трех основных диапазонах масштабов, где проявляется трехмерно-изотропнеятурбулентность, двумерно-изотропная турбулентность и анизотропные гидродинамические процессы, опреде-ллвдяэся приходом энергии к водоему на временных масштабах с суточным и синоптическим периодами.

Анизотропные пространственные неоднородности гидрохимических полей - макронеоднородности - является наиболее крупномасштабными образованиями в структуре изменчивости качества воды. Они включают в себя ряд мезонеоднородностей различного порядка, в которых под действием процессов турбулентного перемешивания происходит выравнивание состава вод и распространение загрязняющих веществ, а также стока с водосбора.

Пространственное распределение макронеодиородностеИ качества воды. Макронеоднородности качества воды представляют собой отдельные участки водоема относительно однородные по сочетанию показателей, образующиеся в результате перемешивания. В этом случае происходит выравнивание характеристик соо-тава вод в пределах такой неоднородности.

Каждая точка в водоеме рассматривается нами' как микронеоднородность, состав воды в которой формируется в результате гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических процессов. Такие микронеоднородности могут рассматриваться так условные "источники поступления вещества", распространение которого происходит под воздействием турбулентной диффузии в продолах гидродинамически однородных зон. Аналогично можно рассматривать в виде условных микронеоднородностой и поступление веществ с водосбора.

В наших исследованиях закономерное гей распределения ыак-ронеоднородностей мы ставили целью наблвдеяии. за следствием процессов перемешивания по критерию однородности гидрохимических полой. В качестве такого критерия нами использовались образы в метрике евклидова расстояния по совокупности гидрохимических признаков.

При исследовании закономерностей распределения макроне-однородностей качества ь^ал, исходя из изложенных позиций мы анализировали отдельные водные объекты: I) водохранилища долинного типа: Иваньковское, Угличское и речную часть Рыбинского (от плотины Угличского гидроузла до Коприно); 2) водохранилище озерного типа (озерная часть Рыбинского вдхр.); 3) Шеко-шшскоо вдхр. - как представитель водоемов со сложной мор$о-ывтрией; 4) каналы (им.Москвы и Волго-Балт).

Рассмотрение распределен;:;! макронооднородностей состава вод показало относительную устойчивость их положения в водохранилищах. Положение однородных по составу зон в Иваньково-кам водохранилище представлено на рис.5. В ыоньшей степени такая устойчивость проявляется в каналах.

Следует также отметить близость оценок по порядку величин масштабов неоднородностей, полученных путем автокорреляционного анализа и разшров однородных зон'по кластерному анализу.

Об^зованиь ыакроноодно; одностей состава вод водохранилищ

рио.Б. Пространственно-однородные зоны по составу воды на примере Иваньковского водохранилища. 1-14 точки наблюдение, 1-1У -- выделенные участки акватории.

шзывается совместным воздействием процессов вертикального и горизонтального турбулентного перемешивания. Принимая во внимание, что на интенсивность перемешивания и структуру неодно-родностей гидродинамических полей оказывают сильное влияние ыорфометрические характеристики водоема (прежде всого глубина и ширина), можно ожидать взаимосвязь распределения неоднород-ностей в соответствии с морфологическими особенностями водоемов. В этом случае элементы морфометрии будут выступать как косвенные показатели потенциальной "энергетической активности" водоема.

Влияние морфометрии водоема на распределение показателей качества '.воды. В данном разделе нами рассматриваются не собственно морфометрические характеристики водных объектов как таковые, а роль турбулентного перемешивания через элементы морфометрии, которые косвенным образом влияют на развитие этого процесса.

Как нами было показано, неоднородности гидродинамических полей, связанные с турбулентностью, существенно зависят от элементов морфометрии водоема: глубины и ширины. В этом случае с увеличением глубины диапазон трехмерно-изотропной турбулентности в водохранилище сохраняется в большем диапазоне масштабов. В водоеме с большими глубинами интенсивность горизонтального турбулентного переманивания будет слабее по сравнению с мелководным водоемом, где диапазон масштабов трехмерно-изотропной турбулентности меньше. Следовательно, чем больше глубина водоема, при прочих равных условиях, тем слабее горизонтальное перемешивание. Вертикальное перемешивание с ростом глубины будет усиливаться, т.к. увеличиваются масштабы области развития этого процесса.

Таким образом, ширина и глубина водоема являются ванными характеристиками, трансформирующими распределение кинетической энергии. При этом с увеличением ширины и уменьшением глубины водоема интенсивность горизонтального перемешивания возрастет, усиливая диффузию вещества. Обратная картина будет наблюдаться при уменьшении шрины и увеличении глубины.

Эти процессы будут влиять на интенсивность разбавления, ослабляясь при росте глубины и усиливаясь при увеличении ширины водного объекта.

Показатель ширины водоема для водохранилищ является также элементарной характеристикой площади его зеркала, что может сказываться на гидродинамической активности водной массы по отношению к воздействию ветра.

При наличии направленных стоковых течений, вызываемых про-точностыо, наиболее важной характеристикой будет являться пло-пздь поперечного сечения, в пределах которой развиваются гидродинамические процессы. Эта же характеристика может служить показателем инерционности водной массы по отношению к внешним воздействиям, являясь едшшчной характеристикой объема.

Исходя из изложенных выше соображений наш был проведен анализ распределения показателей качества воды в водных объектах, по которым были проведены исследования, с учетом глубины (II), ширины (В) и площади поперечного сечения (СО ). Для этой цели по крупномасштабным картам глубин с масштабом 1:10000 (Атлас единой глубоководной системы, 1977, 1982) в точках отбора проб были определены параметры Н, В и рассчитаны величины (0 . Для определения роли параметров морфометрии на распределение показателей качества воды (по металлам) использовался кластерный анализ, в основе которого лежит классификация массива признаков, вклгочавдего концентрации металлов и ширину, глубину и площадь поперечного .сечения. В качестве меры близости использовался коэффициент пространственной корреляции между признаками.

Полученные дендрограммы классификации показали, что во всех водохранилищах наблюдается высокий положительный уровень корреляции (не ниже 0,9) между металлами и глубиной. Вместе с тем в водоемах замедленного водообмена наблюдается высокая отрицательная (не ниже 0,7-0,9) связь группы металлов и группы глубины с шириной водохранилища, а в водоемах с выраженной проточностью - аналогичная связь с площадью поперечного сечения (0,7-0,9).

В канале (Волго-Балт) наблюдалась связь концентраций металлов только с глубиной (Г = 0,8-0,9) и отсутствие связи с другими элементами морфометрии (Г" = -0,3).

Такой характер связей между классами концентраций металлов и морфометрией показывает, что ширина водохранилища, характеризующая, по нашим представлениям, интенсивность перемешивания и площадь сечения - характеризующая развитие стокового течения - оказывают воздействие на распределение показателей

- во - •

показателей качества воды.

Таким образом, оценки роли элементов морфоыотрил в распределении пространственных неоднородностеИ состава вод, показывают определяйте (косвенное) влияние эти:: параметров ас исследуемые закономерности.

Оценки распределения пространственных потонпчддьчд ДО.но-poehux зон в водохранилищах. Подученные в предадущих разделах результаты исследования позволяют осуществлять прогноз потенциального распределения пространственных неоднородностоИ качества воды. В основе предлагаемой теоретической модели лшму представления об отразивнаи в водоеме, в виде гространствакн^х неодаородностей состава вод,воздействий, связанных с транофэ]>-мацией кинетической энергии.

Как было показано выше, при одинаковых внешних воздействиях такая трансформация происходит в областях масштабов, осязанных с морфоыетрическими особенностями водоемов, определяющих его энергоактивность. Такими характеристиками служат резонансные волны , соответствующие глубине и ширям водохранилища, а в проточных водоемах - площади поперечного сечения.

Прогноз положения пространственных неодаородностей качества воды был проведен путем классификации точек, соответствующих наблюдениям за составом вод, по величинам глубины, ширины и площади поперечного сечения с использованием в качество критерия в кластерном анализе евклидовых расстояний. Результаты таких расчетов показали хорошее совпадение положения потенциально однородных зон с классификациями по гидрохимическим показателям.

Состав воды в пределах выделяемых однородных зон зависит от поступления вещества с водосбора или с водами притоков, ие прилегахвдх участков водохранилища, а также от источников загрязнения.

Метод расчета потенциального расположения пространственных неодаородностей состава вод в водохранилищах может использоваться для предварительной оценки распределения макронеод-нородностей качества воды. Этот подход следует использовать при разработках предварительных схем расположения пунктов наб-лждейний sa качеством воды и контроля загрязнения. Простота и доступность, а также обоснованная теоретическая база и экспериментальная проверка могут способствовать его вирокому внед-

гоняя в практику обследований водных объектов в цолях оптимизации систем наблюдений для контроля загрязнения.

Глава 6. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Разработка методов обоснования систем наблюдений необходима в связи с ва;.таой ролью контроля качества воды рек, озер п водохранилищ, основной задачей которого является получение объективной информации о пространственно-временной изменчивости ряда параметров, определяющих качество воды. Такая система наблюдений должна обеспечивать наиболее достоверное и экономически обоснованное освещение изменений качества воды.

Переходя к рассмотрению подхода к обоснованию сети наблюдений следует обозначить некоторые общие положения, характеризующие ее как систему.

Качество воды определяется по комплексу характеристик, отражающих•ее физическое, химическое и биологическое состояние, представленное некоторым набором показателей. Вместе с тем, качество воды обладает изменчивостью как в пространстве, так и во ъремени. Следовательно, в какой-либо момент времени Т в точке пространства X , ^ , 2 необходимо определить комплекс показателей А , 8 , С.....В общем случае при проведении наблюдений эта информация является случайной как по Т и X, У , 2 , так и по списку А, В, С , т.к. т не имеем достаточно полных представлений ни об А, В,, С , ни тем более о Т и X, У , 2 , В первом приближении надо млеть предварительную информацию о том, чем может быть загрязнена система (водоем), отсюда вытекает набор показателей, а также об изменчивости во времени и пространстве. Такая предварительная информация позволяет сделать первое приближение и выработать гипотезу о степени изменчивости характеристик А ВС, Т , ХШ ,' что является необходимым элементом системы наблнздений:

1. Список Пределы' Точность показателей • •. изменчивости • ..' • измерений

2. Время ■.—Периодичность -—■—>— Частота

изменчивости- '

3. Пространство—»-Размеры —■-Пространствеп-

неоднороднбетей нал дискретность

- 32 -

По списку ABC система наблюдений в значительной степени определяется загрязнителями (источниками.загрязнения) и соот-ветствувдима веществами, в некоторых случаях реакциями.

По пространству /¿/2 ц времени Т система наблэдоша! определяется как антропогенным фактором, так и в большой степени процессами гидродинамического, гидрохимического и гидробиологического характера, определяыцами пространственно-временные закономерности распределения вещества и анергии в водоемах.

В основе разработанного автором метода оценки необходимой частоты наблюдений лешт представление о колебательном характере- изменчивости значений показателей качества води в вида совокупности колебаний с различными периодами и амплитудами, обусловленными как внешними (по отношению к водоему) процессами, так и внутриводоемными явлениями.

Вклад колебаний с различными периодами з общую дисперсию процесса удобнее рассчитывать по нормированным функциям спектральной плотности, которые позволяют определить процентное со-доокаше вклада колебаний с различными периодами в полную дис-порсию процесса D0 . Полная дисперсия Эе в этом случае дает 100% изменчивости амплитуд колебаний значений исследуемой характеристики или, иными словами, 100$ информации о величине колебаний, а нормированная функция спектральной плотности -распределение информативности по отдельным периодам.'

Методика оценки необходимой частоты наблюдений при заданных уровнях информативности или, наоборот, оценка информативности наблюдений для определенных интервалов между измерениями, а также установление характерных амплитуд колебаний оонована на расчете спектров информативности (Сп11н) и спектров амплитуд (СпАы) (Тушинский, 1981, 1986). Эти характеристики рассчитываются по нормированным функциям спектральной плотности и значениям дисперсий и представляют собой нарастающую сумму инфорыа-тивностей от максимального периода до минимального.

Графики СпАМ, покааывая распределение среднеквадратиче-ских отклонений 5 по периодам, могут служить для определения необходимой точности измерений при заданных интервалах между наблюдениями.

Использование понятия информативности и оценки ее распределения по периодам позволяет легко решать задачи определения

урошя информативности при определенной частоте наблюдений и ^обратную задачу - определять частоту, исходя из заданной величины информативности. Иллюстрацией этого метода является рис.О, гдо представлены: нормированный спектр (площадь под графиком равна cyi.ii.iapnой дисперсии ряда и соответствует 100$ информативности), спектр информативностей (СпИн), построенный по результатам расчета нарастащей суммы ординат нормированного спектра, а также показаны соотношения между частотой наблюдений и информативностью, позволяющие решать задачи оптимизации системы наблюдений.

ЕгЗ V

100 Э»

50.1

3 %

Рис.6. Нормированная спектральная функция (а) и спектр информативности (б), - уровень информативности при наблюдениях процессов с периодом % , необходимый период наблюдений для уровня информативности Зг

Рассмотренный подход применим не только к временным, но н л пространственным рядам наблюдений, позволяя выявлять пространственную периодическую структуру и соответствующие вклады в общую дисперсию.

Оптимизация частоты наблюдений. Частота наблюдений во вро-мони должна назначаться, исходя из валичшш информативности, которая выбирается заранее или исходя г.ь роалышх воамогшостей конкретного пункта наблюдений. Автором проведен расчет распределения информативности по периодам колебаний физико-химических характеристик в водохранилище.

Результаты, представленные в табл.1, хотя и получены по наблюдениям в конкретном водоеме (Можайское водохранилища) могут быть, очевидно, перенесены и на другие водоемы, имеющие аналогичный гидрологический режим. В частности, они годятся для димиктических эвтрофных водоемов.

Таблица I

Информативность при различной частоте наблюдений по сезонам года*1

Параметр t °2

Интервал между на б;, униями I 2 3 4 5 I 2 3 4 5

6 часов 12 часов 1 сутки 2 суток 5 суток - 95 95 95 95 95 98 95 90 84 60 98 95 90 82 59 96 95 95 95 95 75 55 46 29 16 95 95 95 90 84 95 66 65 64 61 89 64 63 61 57 88 70 59 37 21 —

зимняя стагнация (январь, февраль', март); 2) Весенняя го-ыот«рмия с переходом к летней стратификации (конец апреля -начало июня); 3. Летняя стратификация (вторая половина июня -начало августа); 4. Разрушение летней стратификации с переходом к осенней гоыотерыаи (конец августа - начало октября); 5. Осенняя гоыотермия в преддодоставный период (конец1 октября -середина ноября).

Для небольших водоемов, таких как, например, Чернявское водохранилище, входящее в Вазузскую гидротехническую систему, характеризующееся малыми глубинами и отсутствием вследствие етого стратификации в летний период, полученные выше закономерности применять нельзя. В этом водохранилище очень велика рать суточных колебаний физико-химических характеристик, даю- щая 36-40£ от общой информативности. Следовательно, в водое-

::ах такого типа частота наблюдений долзша составлять минимум 2 раза б сутки. Таким образом, в малых водоемах, прудах и небольших водохранилищах частота наблюдений во времени должна быть выше, ак как водная масса таких водоемов очень быстро реагирует на воздействие внешних факторов.

Анализ временной изменчивости гидрохимических показателей в верхнем и нижнем бьефах гидроузла позволил наметить частоту отбора проб для такого рода паблвдшшй, имеющих важное значение при контроле качества воды, поступающей из водохранилищ в реки.

Расчеты частоты наблюдений при различных уровнях информативности (представленные в работе в табличной форме) могут быть использованы для предварительного обоснования частоты наблюдений за значениями показателей качества воды.

Оптимияяттия пространственной дискретности наблюдений. В целях оптимизацию! дискретности наблюдений можно воспользоваться подходом, изложенным выше и основанном на представлениях о колебательном характере изменчивости показателей качества воды. В этом случае мы должны опираться на представления о разномас-штабности пространственных колебаний характеристик и рассматривать вклад отдельных гармоник в суммарную дисперсию.

В Можайском вдхр., в соответствии с анализом пространствегь них автокорреляционных функций, были выявлены макронеоднородности. В 075Ят о этим, на поперечных разрезах, для регистрации неоднородно стей в пределах ширины водохранилища пространственная дио-кретноси должна составлять 100-200 м (для участка шириной порядка 1-1,5 км). В нижнем плесовом участке эта величина может колебаться в пределах 300-400 м. При анализе макронеоднородно-стей вдоль продольной оси водохранилища дискретность измерений может достигать 1,5-2 км.

Наблвдения с большей частотой проводить нецесообразно, т.к. доля дисперсии пространственных колебаний показателей качества воды для меньших масштабов, как показали наши исследования, составляет всего несколько процентов, в то время как доля дисперсии макронеодиородностей составляет 85-95$.

Аналогичная картина была получена и для Яузского вдхр., где доля дисперсии колебаний показателей с масштабами более 2-3 юл составляет порядка 80-90$. Таким образом, информативность наблюдений с пространственной дискретностью 1-1,5 км

составляет: £ - 87-92$; 02 - 78-90д!; рН - 90$. Информативность пространственной изменчивости для других колебаний (менее I кы) незначительна.

Оптимизация систем наблюдений за качеством волн. Подучон-ные в результате исследований и теоретических обобщений результаты могут использоваться в ряде прикладных задач, связанных с оптимизацией системы наблюдений. К таким прикладным аспектам относятся, прежде всего, следующие наиболее актуальные проблемы: разработка обоснованной системы наблюдений за потенциальным загрязнением водоемов; выявление зон загрязнения; оптимизация существующих (сетевых) систем наблюдений за качеством воды.

Рекомендации по системе наблюдений за потенциальным загрязнением водоемов. Предлагаемый нами метод оценки потенциального загрязнения водоемов базируется на представлениях о пространственно-временных неоднородностях качества воды (гидрохимических полях), которые потенциально всегда существуют в любом водном объекте и связаны с динамикой процессов перемешивания.

Таким методом может служить выделение потенциальных одпо-род-:х зон по факторам, отражающим область развития процессов перемешивания. В этом случае используется принцип выделения участков водоема по близости морфометрических факторов, трансформирующих внешние воздействия, т.е. по так называемым "резонансным показателям", к которым по результатам наших исследований относятся глубина, ширина и площадь поперечного сечения водоема. Именно эти факторы вызывает неоднородности гидродинамических полей, и, как следствие, формируют неоднородность полей качества воды, а также потенциально наиболее подверженные загрязнению 80ны в водоемах.

Отсюда следует, что для того, чтобы не пропустить поле загрязнения, наблюдения должны проводиться по такой пространственной сетке, когда существует хотя бы одна станция, Относящаяся к такой однородной зоне, в пределах которой будет происходить распространение вещества.

Для системы водных объектов, включавдей водохранилища (Иваньковскор,Угличское, Рыбинское, Шекснинское) и каналы (канал им.Москвы, Волго-Балт) нами были проведены как рекогносцировочные обследования по учащенной сетке станций (порядка 200250) на участке протяженностью около 1000 км, так и расчеты на основе теоретической модели формирования однородных зон.

Выявление зон загрязнения. Проблема выявления зон загрязнения при известных источниках поступления загрязняющие веществ . относится к области локального мониторинга (Павелко, 1961) и представляет собой задачу классификации (районирования) участков водного объекта. Для успешного решения таких задач безусловно наиболее перспективным является метод кластерного анализа. Однако, хотя этот метод и получил достаточно широкое распространение в рамках задач выделения однородных зон в бассейнах рек (Павелко и др., 1279 а,б; ¡.эспзгее е{ а£ , 1982; МйфеЬЛ , 1983), а также зон загрязнения в водоемах (Кокова, Шастина, 1981; Стучевскпй, 1986) обычно применение такого подхода ограничивается констатацией статистических связей между выделяемыми классами, и, как правило, мало внимания уделяется "физической" сущности метода. Данное обстоятельство не позволяет в достаточной мере оценить преимущества того или иного подхода к выбору метрики, определяющей степень сходства между классами. Кроме того не всегда ясно, какой именно процесс, отражает получаемая в том или ином случае классификация.

Представленные в работе примеры (район Череповца и Кондо-пожского ЦЕХ) выделения зон влияния загрязнений показывают возможность применения данного метода к такого рода задачам, а его результаты свидетельствуют о диффузионном характере формирования пространственных неоднородностей состава вод в зоне влияния сброса сточных вод. Таким образом, метод пространственной клао- , сификацни точек наблюдений позволяет успешно изучать не только макронеоднородности состава вод, но и применять его для исследования неоднородностей практически любых масштабов, что свидетельствует о его универсальности и применимости в широком круге задач, связанных с оптимизацией систем наблюдений.

Представленные примеры практического применения исследованных закономерностей пространственно-временной неоднородности гидрохимических полей-показывают широкие возможности рассмотренных методов в области оптимизации систем наблюдений. Преимущество таких методов заключается в четкой физической интерпретации, лежащей в основе как анализа спектральной структуры временных и пространственных колебаний показателей качества воды, так и выделения пространственно однородных зон в водных объектах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Используемдй в работе системный подход, основанный ка анализе закономерностей пространственно-временной изменчивости процессов обмена веществом и энергией позволил решить ряд принципиально важных теоретических проблем динамики водных систем в приложении к задачам мониторинга:

- установлено существование колебательной структуры реакции водной массы водохранилища на внешние воздействия, проявляющееся в существовании временных и пространственных неодно-родностей, определяемых, стоком и приходом кинетической энергии ветра и ее трансформацией морфоыетричесними особенностями водохранилища;

- по данным наблюдений за пространственной неоднородность-;) скалярных полей' выявлена ' епределяицая роль распреЦеленкл кинетической энергии в формировании пространственной неоднородности состава вод;

- выявлены критические масштабы перестройки этого процесса, соответствующие морфометрической неоднородности участков акватории водоема.

2. Выявлены возможности спектрального анализа в исследованиях состава вод как метода выделения основных ыасмабов неод-нородностей, определяющие дисперсию характеристик качества води, что позволило оценить роль разномасштабных колебаний и их вклад в суммарную дисперсию.

3. Выявленные в работе закономерности временной структуры неоднородностей качества воды заключаются в следующем:

- в водохранилищах наблвдается сложная многомасштабная' структура колебаний показателей качества воды во времени, иклю-чапцая макронеоднородности внутригодовой периодичности (сезонной), мезонеоднородности внутрисезонного характера в неоднородности, связанные с внутрисуточной изменчивостью; 1

- водохранилище оказывает регулирующее влияние не только на показатели речного стока, но и на трансформацию внутригодо-вых колебаний показателей качества воды, что проявляется в увеличении роли дли ш I опе ¡: и о дни х составляющих в суммарной дисперсии значений показателей и перестройке внутрисезонной структуры колебаний состава воды; набявдаемдя сезонная перестройка дина-

маки показателей качества воды заключается в существовании типичных сезошшх "наборов" гармоник;

- установлено, что водохранилища разных размеров по разному реагируют на внешние воздействия; с увеличением размеров водоема растет кочичество характерных временных неоднородностей показателей качества воды, что позволило обосновать вывод о существо ваши резонансных частот по отношению к воздействию

на водоем.

4. Результаты исследований пространственной неоднородности состава вод позволили сформулировать ряд принципиально новых положений об их структуре и распределении, а также временной динамике;

- в водохранилищах присутствуют макро-, мезо- и микронеоднородности состава вод, раачеры которых тесно связаны со структурой гидродинамических полей водоемов;

- пространственное распределение макронеоднородностей соо-тава вод характеризуется относительной стабильностью и связано со структурой трансформации распределения кинетической энергии через морфометрические особенности водохранилищ;

- пространственное распределение макронеоднородностей подвержено сезонной динамике, при этом наименьшее число однородных зон и их максимальные размеры наблюдаются в период свободной поверхности водохранилища, а в период ледостава количество неоднородностей возрастает, сопровождаясь уменьшением их масштабов.

5. Совместный анализ распределений неоднородностей качества воды и оценки энергоактивности водоема по морфометричестоил показателям, являющимся факторами резонансной реакции водоема па приход кинетической энергии, позволил разработать методику прогноза потенциально опасных зон загрязнения в водоемах.

6. Результаты проведенных исследований положены в основу обоснования мониторинга качества воды: методики оптимизации частоты наблвдений, которая опирается на представлении о масштабах временной или пространственной изменчивости и позволяет определять необходимый интервал между наблюдениями в соответствии с требуемой информативностью (долей описываемой наблюдо- • ниями дисперсии).

Дальнейшее развитие выдвинутых, в работе положений автор видит в расширении исследований■пространственно-временной ди-

йамики водних систем, что позволит решать ряд чрезвычайно важных прикладных задач:

- выработать основу пространственно-временного разрешения моделей видных экосистем для прогноза оценки их состояния;

- на основе анализа морфометрии проектируемых водохранилищ может быть проведена предварительная оценка и дан прогноз распределения однородных по составу зон в водоеме.

Углубление исследований пространственно-временных закономерностей обмена веществом и энергией является перспективным направлением изучения функционирования водных экосистем. Такие исследования должны быть распространены и на реки, а такжо включать донные отложения и неоднородности структуры водосбора.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

I. Экспериментальное исследование горизонтальной турбулентной диффузии в Илшом Байкале. - "Вестник МГУ", сер.география, й 5, 1973, с.68-73.

. 2. О роли гидрологических условий в процессе распространо-ши- загрязнений в водоеме. - В сб.: "Современные пробл. и методы гидрометеорол.исследований". М., 1975 (Деп.ВИНИТИ, J6 2141-75), с.91-99.

3. Экспериментальное определение коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии методом свободно плавающих индикаторов. - В сб.: "Течения в Байкале", Наука, 1977, с.148-154.

4. Исследование горизонтальной турбулентности вод Можайского водохранилища. - МГУ, Географический ф-т, М,, 1977 (Деп. ВИНИТИ Л 877-78), 14 с.

5. Оценка интенсивности горизонтального турбулентного обмена в Можайском водохранилище. - В сб.: "Современный проблемы и методы географ.исследований", МГУ, М., 1977 (Деп.ВИНИТИ Ii 210078), с.183-193.

6. Изучение динамики вод суши (применительно к оценке качества вода, распространению загрязнений и охране водных ресурсов).

- "Шдрсдогия суш, т.З", (Итоги науки и техники ВИНИТИ). М., 1978, с.14-63.

7. Экспериментальное исследование горизонтальной турбулентной диффузии в водоемах для оценки переноса загрязнящих веществ.

- В сб.: "Экспериментальные исслед.гидрол.процессов и явлений,

- 41 -

часть I",. M., МГУ, 1979, c.IGI-168.

8. Основше принципы и направления исследований пространственно-временной изменчивости гидрохимических полей. - "Гидрохимические материалы", т.78, Л., Гидрсметеоиздат, 198I, с.13-17 (п соавторе.ве с И.Т.Гавриловым, В.Л.Павелко, Г.В.Цыцаргашм).

9. Исследование ряда физико-химических показателей автроф-ных водохранилищ с целью обоснования частоты наблюдений и согласованной точности измерений в годовом цикле. - "Гидрохимические материалы", т.78, Л., Гидрометеоиздат, 1981, с.22-32 (в соавторстве с Н.А.Авериным, И.Т.Гавриловым, Т.П.Кромской).

10. Горизонтальное турбулентное перемешивание в малом водохранилище. - "Гидрохимические материалы", т.78, Л., Гидрометеоиздат, 1981, о. 123-130.

11. Гидродинамические факторы формирования пространственно-временной неоднородности показателей качества воды в водоемах.-Научн.-техн.конференция по естеств.наукам на Зап.Урале, Пермь, 1981, тезисы докладов, Пермь, 1981, c.III-112.

12. Спектральный анализ структуры гидрохимических полей и расчета систем наблюдений. Материалы Всесоюзного симпозиума "Пространственно-временные структуры'гидрохимических и гидрофизических характеристик морей", Таллинн, 1981, с.35-39.

13. Методика комплексных исследований формирования а трансформации пространственно-временных неоднородностей гидрохимичео-ких полей. - Материалы Всео.симпозиума "Пространственно-временные структуры гидрохимических и гидрофизических характеристик морей", Таллинн. 1981, с.33-35.

14. Проблемы селективных попусков из водохранилищ. - "Гидрохимические материалы", т.79, Л., Гидрометеоиздат, 1982, с. 44-64 (в соавторстве с И.Т.Гавриловым, Т.П.Кромской).

15. Исследование влияния режимов попусков из водохранилищ на качество воды, поступающей в нижние бьефы гидроузлов. - "Гидрохимические' материалы", т.81, Л., Гидрометеоиздат, 1982, с. 44-54 (в соавторстве с И.Т.Гавриловым, Т.П.Кромской).

16. Загрязнение и охрана природных вод. - "Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов, т.12" (Итоги науки и техники ВИНИТИ), M., 1982, 200 с. (в соавторстве с Г.Г.Шинкар).

Г7. Основные направления глобального фонового мониторинга состояния окружающей среды;•- "Охрана природы и ..... т.14"

(Итоги щуки и техники ВИНИТИ), М., 1983, с.124-195 (в соавтор- -стве с Т.Ю.Семеновой).

18. Влияние дишшки вод на пространственно-временную изменчивость содержания кислорода в водоеме. - "Гидрохимические материалы", т.90, Д., Гидрометеоиздат, 1984, с.13-22 (в соавторству

с Г.В.Цыцариным, Г.Г.Шинкар).

19. Исследоваш1в пространственно-временных нооднородностей гидрохимических и гидрофизических полей в водоемах доя обоснования сети наблвдений и контроля качества воды. - В сб.: "Материалы УП Всес.симпозиума по соврем.пробл.качества воды и озонирования, секция П", Таллинн, 1985, с. 212-215.

20. Об одном методе расчета системы наблюдений. - "Гидрохимические материалы", т.94, Л., Гидрометеоиздат, 1986, с.10-18.

21. Качество природных вод: наблюдение и прогнозирование. -"Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов, т.18" (Итоги науки и техники ВИНИТИ), М., 1967, I9G с.

22. Динамика вод озер и водохранилищ. - "Гидрология сунн", т.G"(Итоги науки и техники ВИНИТИ), М., 1987, 140 с.

23. Оценка качества вод водохранилищ по продукцаонно-до-струкциошшм характеристикам фитопланктона. - В сб.: "Изучение процессов формирования хим.состава природ.вод в условиях антропогенного воздействия", Мат.ХЖ- Всес.гидрохим.совет. Рос?ов-на~' Дону, 1984, ч.1. Л., Гидрометеоиздат, 1987, с. 135-156 (в соавторстве с В.А.Семиным, В.М.Хромовым, Г.Г.Шинкар).

24. Теоретические основы и закономерности формирования и трансформации прост!лиственно-временных неоднородностей качества воды для обоснования систем наблвдений. - В сб.: "Состояние и перспективы развития методол.основ хим. и биол.мониторинга ¿од суш", тез.докл.XXIX Всес.гидрохим.совещ., часть I. Ростов-на-Дону, 1987, с.85-86. (

25. Интенсивность горизонтального перемешивания как количественная ыара самоочищаицей способности водоемов. - "Гидрохимические материалы", т.95, Л., Гидрометеоиздат, 1989, с.164-172.