Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Режим растворенного кислорода в стратифицированных водохранилищах Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Режим растворенного кислорода в стратифицированных водохранилищах Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

556.114.2:556.55

ЕРИНА Оксана Николаевна

РЕЖИМ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА В СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩАХ МОСКВОРЕЦКОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г. МОСКВЫ

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук 21 ОКТ 2015

Москва-2015

005563448

005563448

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: ДАЦЕНКО ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

кандидат географических наук, доцент кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты: ГАШКИНА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

доктор географических наук, и.о. ведущего научного сотрудника ФГБУН Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (г. Москва)

ЩЕГОЛЬКОВА НАТАЛИЯ МИХАЙЛОВНА

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института водных проблем Российской академии наук (г. Москва)

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (г. Москва)

Защита состоится 03 декабря 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, 27, А8. Автореферат размещен на сайте географического факультета Московского государственного университета имени М. В.Ломоносова: wwvv.geogr.msu.ru. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.68, e-mail: science@geogr.msu.ru, факс: +7 495 9328836.

Автореферат разослан <^>> октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Сзвснко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Содержание растворенного кислорода (РК) является одной из важнейших характеристик качества воды в водохранилищах, поскольку служит интегральным показателем продукционно-деструкционных и динамических процессов, протекающих в водных экосистемах. Особое значение эта характеристика приобретает при изучении стратифицированных водоемов в летний период ввиду того, что возникающая в них плотностная стратификация препятствует обмену растворенным кислородом между фотическим слоем, где происходит его продуцирование в результате процесса фотосинтеза, и гиполимнионом. В нем кислород расходуется при биохимическом окислении органических веществ (ОВ) и к концу летнего периода может исчезать полностью. В результате формирования бескислородных условий в гиполимнионе происходит резкое ухудшение качества воды, развитие болезнетворных бактерий и заморные явления, возникновение привкусов и запахов, трудно устранимых в питьевой воде.

Задача расчета пространственно-временных изменений содержания растворенного кислорода чрезвычайно актуальна для водохранилищ — источников водоснабжения г. Москвы, в особенности для базовых водоемов Москворецкой водохозяйственной системы: Рузского, Можайского, Озернинского и Истринского. По трофическому состоянию эти водохранилища относятся к мезотрофно-эвтрофным водоемам со значительными внутригодовыми колебаниями концентрации кислорода, при которых возникновение аноксии в придонных слоях - явление обычное.

В диссертационной работе кислородный режим водохранилищ анализируется на основании обобщения данных полевых наблюдений и результатов расчета концентраций растворенного кислорода в кислородном блоке гидрологической модели водохранилищ (ГМВ-МГУ). Математическое моделирование служит удобным инструментом для изучения водных экосистем, поскольку позволяет проследить за изменениями их состояния без

проведения регулярных гидролого-гидрохимических съемок водохранилищ и определения большого количества компонентов химического состава воды. С использованием модели в качестве инструмента также возможно проведение диагностических расчетов с целью поиска такого соотношения регулируемых параметров режима водохранилищ, при котором может быть достигнуто оптимальное для водопользования качество воды, поступающей в нижний бьеф гидроузла.

Степень разработанности темы. Исследования кислородного режима водных объектов проводятся с конца XIX в. [Winkler, 1888]. В начале XX в. активно изучаются механизмы процессов обмена кислородом между водой и атмосферой [Adeney, Becker, 1919], получены первые количественные оценки потребления кислорода при деструкции органического вещества в водной толще [Кузнецов, Карзинкин, 1931] и потребление 02 донными отложениями [Хатчинсон, 1969], изучается влияние возникающих в озерах плотностных течений на распределение кислорода [Rossolimo, 1935]. В это же время появляется первая модель динамики растворенного кислорода в водотоке [Streeter, Phelps, 1925], не потерявшая своей значимости и в настоящее время.

Во второй половине XX в. благодаря появлению полярографических датчиков стал возможен сбор массового материала о пространственно-временных полях растворенного кислорода. Активно изучается кислородный режим уже существующих и создающихся водохранилищ [Водохранилища Верхней..., 1975; Водохранилища Москворецкой..., 1985; Иваньковское..., 1978]. Продолжается изучение определяющих его факторов [Бреховских, 1988; Кременецкая, 2001].

В конце 70-х гг. начинают появляться первые гидроэкологические модели, в которых присутствует переменная «растворенный кислород»; эти модели носят концептуальных характер. Большой вклад в разработку экосистемных моделей внесли В.В. Меншуткин, A.B. Леонов.

Однако, несмотря на накопленный более чем за век изучения кислородного режима озер и водохранилищ материал, в литературе редко

встречаются обобщающие работы с интегральными характеристиками кислородного режима и многолетними тенденциями его изменений. Остается недостаточно исследованным и вопрос количественной оценки влияющих факторов с позиции улучшения кислородных условий водохранилищ при помощи управления сбросами воды через гидроузел.

Цели и задачи исследования. Цель работы - анализ и количественная оценка комплекса факторов, определяющих формирование кислородного режима водохранилищ Москворецкой водной системы, на основе полевых наблюдений и математического моделирования.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- выполнить сбор и обобщение данных наблюдений за кислородным режимом водохранилищ Москворецкой водной системы;

- изучить особенности кислородного режима водохранилищ и выявить закономерности его изменений при смене гидрометеорологических условий;

- провести расчеты интегральных показателей кислородного режима по данным наблюдений;

- выполнить обзор существующих гидроэкологических моделей водоемов, по которым производят расчет содержания растворенного кислорода, сопоставить их по учитываемым процессам и выбрать подходящую модель в качестве инструмента исследования;

- усовершенствовать алгоритм расчета растворенного кислорода используемой модели;

- подготовить необходимую информацию для проведения модельных расчетов кислородного режима, провести подробную верификацию и калибровку модели, а также ее валидацию;

- на основании диагностических модельных расчетов изучить структуру кислородного баланса в разных районах водохранилищ в зимний и летний сезоны;

- оценить влияние гидрометеорологических условий и режима работы гидроузлов на кислородный баланс водохранилищ;

- модельными расчетами воспроизвести формирование и развитие гипоксидных условий в изучаемых водохранилищах в зимний и в летний периоды;

- серией численных экспериментов провести оценку влияния водности притока и уровенного режима водохранилища летом на объем зоны глубинной острой гипоксии.

Объект и предмет исследования.

Объектами исследования выбраны четыре базовых водохранилища Москворецкого источника водоснабжения г. Москвы - Можайское, расположенное в верховьях водосбора р. Москвы, Рузское - на левом притоке р. Москвы р. Рузе, Озернинское — на самом крупном притоке р. Рузы р. Озерне и Истринское - на р. Истре, левом притоке р. Москвы.

Предмет исследования — внутригодовая изменчивость кислородного режима морфологически разнотипных водохранилищ, характеризующая особенности формирования в каждом из них наилучших питьевых качеств воды источников коммунального водоснабжения

Материалы и методы исследования. В работе использованы архивные материалы 40-летних исследований Красновидовской лаборатории по изучению водохранилищ (ныне Красновидовская учебно-научная база) географического факультета МГУ, а также материалы совместных полевых исследований Можайского водохранилища с сотрудниками группы внутриводоемных процессов ИВП РАН. Помимо этого использованы данные наблюдений на рейдовой вертикали Можайского водохранилища и более 20 его гидролого-гидрохимических съемок, полученные автором в 2011-2014 гг. По инициативе автора и с его участием в 2013 году организованы и проведены 2 серии таких съемок всех четырех исследуемых водных объектов.

Методологическую основу выполненных работ наряду с режимными, балансовыми и экспериментальными полевыми наблюдениями составили:

- метод гидролого-гидрохимических квазисинхронных съемок водохранилищ;

- унифицированные химико-аналитические методы лабораторного исследования химического состава проб воды;

- метод математического моделирования ансамбля гидроэкологических процессов внутриводоемной трансформации состава речных вод;

- методы географической аналогии, математической статистики и др.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- впервые проведено обобщение особенностей формирования кислородного режима и аноксии в стратифицированных водохранилищах Москворецкой водохозяйственной системы в годы различной водности с меняющимися погодными условиями за почти полувековой период их существования;

- автором впервые проведена адаптация, верификация и валидация кислородного блока модели ГМВ-МГУ для морфологически простых и многолопастных водохранилищ многолетнего регулирования стока, но различной проточности;

- впервые модельными расчетами оценен вклад разнообразных процессов в баланс растворенного кислорода морфометрически различных районов водохранилищ, включая транзит водными массами при изменяющемся режиме регулирования гидроузлом речного стока;

- впервые установлены закономерности изменения кислородного индекса и объемов гипоксидной и аноксидной зон в Можайском, Рузском, Озернинском и Истринском водохранилищах в зависимости от колебаний в них уровня воды и водности года.

Основные защищаемые положения:

1. Статистически значимая связь интегральных показателей кислородного режима долинных водохранилищ с параметрами гидродинамической устойчивости их стратифицированной водной толщи.

2. Особенности формирования и развития гипоксидной зоны определяются гидрометеорологическими условиями в вегетационный период и регулированием водного режима водохранилищ.

3. Закономерности пространственных изменений структуры кислородного баланса долинных водохранилищ, обусловленные продольной асимметрией их ложа и комплексом внутриводоемных процессов в зимний и летний периоды, вклад различных течений в обмен кислородом между районами водохранилищ.

4. Повышение уровня воды в водохранилищах в летний период приводит к увеличению объема гипоксидной зоны. Продукционные процессы интенсифицируют ее рост, но не влияют на максимальный объем зоны, который определяется положением слоя температурного скачка и толщиной гиполимниона.

Личный вклад автора заключается в организации и проведении серии наблюдений за кислородным режимом на водохранилищах Москворецкой водной системы в период 2011-2014 гг., а также в обобщении данных наблюдений и самостоятельном проведении расчетов интегральных характеристик кислородного режима. Самостоятельно была проведена верификация кислородного блока модели ГМВ-МГУ, кислородный блок дополнен процессом поглощения кислорода донными отложениями, проведена калибровка коэффициентов модели и последующая валидация. Автором самостоятельно разработан комплекс сценарных и диагностических расчетов, позволивших количественно оценить влияние комплекса гидрологических факторов на формирование гипоксидной зоны в летний период.

Достоверность результатов исследования обусловлена тем, что работа выполнена на основе обработки надежного массива данных наблюдений за кислородным режимом водохранилищ Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы. О достоверности результатов моделирования свидетельствует высокая сходимость рассчитанных величин с результатами полевых обследований, которая подтверждается статистическими критериями.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты использованы при мониторинге качества воды водохранилищ, прогнозировании объема гипоксидной зоны в зависимости от водности года и

диспетчерского графика регулирования сбросов воды гидроузлом. Расчет сроков появления и объема аноксидной и гипоксидной зон имеет важное значение для отраслевых институтов системы Федерального агентства по рыболовству для прогнозирования продуктивности водных объектов, для территориальных управлений Росрыболовства при разработке хозяйственных мероприятий, а также для рыбохозяйственных организаций, осуществляющих зарыбление пригородных водоемов для любительского рыболовства.

Результаты работы использованы при выполнении проекта РФФИ «Моделирование режима растворенного кислорода в стратифицированных водохранилищах» (№ 12-05-00176_а), а также проекта №12-фцп-Н5-07 «Изучение влияния экстремально жарких периодов на гидрохимические и гидробиологические характеристики систем водоснабжения на примере г. Москвы» в рамках выполнения федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах».

Апробация результатов исследования. Результаты исследований, проведенных в рамках работы над диссертацией, докладывались, обсуждались и опубликованы в трудах следующих конгрессов, конференций и семинаров: III, IV и V Международные научно-практические конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2011, 2013, 2015); V Всероссийский симпозиум с международным участием «Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах» (Петрозаводск, 2012); Всероссийская конференция «Бассейн Волги в ХХ1-м веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ» (Борок, 2012); Всероссийская научная конференция «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз» (Туапсе, 2013); Международная научная конференция «Проблемы гидрометеорологического обеспечения хозяйственной деятельности в условиях изменяющегося климата» (Минск, 2015); Всероссийская научная конференция с международным участием «Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод» (Ростов-на-Дону, 2015).

По теме диссертации имеется 15 публикаций, в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 6 приложений. Общий объем диссертации 188 страниц, основной текст изложен на 148 страницах и содержит 13 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 156 наименований, в том числе 74 на иностранных языках.

Автор выражает благодарность заведующему Красновидовской УНБ к.г.н., с.н.с. В.В. Пуклакову и н.с. Красновидовской УНБ, к.г.н. Д.И. Соколову за содействие в организации и проведении полевых работ, сотрудникам ИВП РАН к.г.н., с.н.с. Е.Р. Кременецкой и к.г.н., н.с. Д.В. Ломовой за предоставленные данные, д.г.н., проф. кафедры гидрологии суши К.К. Эдельштейну и к.г.н., с.н.с. Л.Е. Ефимовой за консультации, технику Красновидовской УНБ В.В. Кочневой за помощь в проведении лабораторного анализа проб воды, а также с.н.с. Красновидовской УНБ, к.б.н. СЛ. Беловой и в.н.с. кафедры гидрологии суши, к.б.н. A.B. Гончарову за любезно предоставленную информацию о биомассе, численности и видовом составе фитопланктона Москворецких водохранилищ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризована ее научная новизна и практическая значимость, даны сведения о методике и исходных материалах, использованных в работе, сформулирован предмет защиты.

В главе 1 «Растворенный кислород в пресных водоемах» рассматриваются факторы формирования кислородного режима в пресноводных водоемах, различные методы определения содержания растворенного кислорода в воде.

Кислородный режим водоемов формируется в результате воздействия множества факторов: гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических. Важнейшими процессами, формирующими

и

распределение растворенного кислорода, являются обмен с атмосферой, перенос кислорода в результате процессов внутреннего водообмена, фотосинтез, биохимическое потребление в водной толще, а также грунтами дна. Каждый из перечисленных процессов чрезвычайно сложен, их формализации многочисленны, а количественные оценки зависимостей от определяющих факторов, полученные по данным натурных и лабораторных экспериментов, сильно разнятся.

Совокупность определяющих процессов приводит к формированию трех типов вертикального распределения 02: ортоградного, клиноградного и гетероградного.

Среди методов определения содержания растворенного кислорода в воде эталонным остается йодометрический метод Винклера, однако в последние 60 лет с появлением полярографических электродов, а не так давно и оптических датчиков, стал возможен сбор массового материала о содержании растворенного кислорода и подробное исследование кислородного режима водоемов натурными методами.

В главе 2 «Кислородный режим водохранилищ Москворецкой водной системы» обосновывается выбор объектов исследования. Можайское, Рузское, Озернинское и Истринское водохранилища являются наиболее интересными для изучения кислородного режима, так как их глубоководность и замедленный водообмен способствуют ежегодному возникновению плотностной стратификации водной толщи.

Основные черты кислородного режима данных водоемов - преобладание в весенний и осенний периоды динамических процессов, приводящих к выравниванию содержания растворенного кислорода по вертикали. Наличие устойчивой плотностной стратификации летом приводит к прекращению обмена РК между эпилимнионом, где в это время активно вегетирует фитопланктон, что приводит к пересыщению поверхностных слоев кислородом, и гиполимнионом, где кислород расходуется на дыхание гидробионтов и окисление ОВ. В результате все это приводит к формированию обширной

бескислородной зоны, которая к концу лета может занимать весь гиполимнион. В зимний период с установлением ледостава прекращается обмен с атмосферой, и кислород в водоемах постепенно расходуется на окисление ОВ.

Для интегральной оценки кислородного режима рассматриваемых водоемов использовались различные показатели, главным образом объем гипоксидной водной массы и индекс кислорода (ИК), рассчитываемый как средневзвешенное по объему абсолютное отклонение содержания растворенного кислорода от концентрации насыщения:

где п - число станций, на которых измерялось вертикальное распределение кислорода; т - число слоев водоема; 02, - концентрация кислорода в слое, мг/л; О2 - концентрация насыщения при данной температуре, мг/л; — объем слоя; V — объем водоема.

Обнаружена тесная связь рассматриваемых показателей с гидрофизическими и продукционными условиями водоемов и выявлены различия в кислородном режиме как во внутригодовом, так и в межгодовом разрезе. Показано, что в последние 35 лет в водохранилищах произошло ухудшение кислородных условий в вегетационный период, выразившееся главным образом в увеличении объема гипоксидной водной массы (рисунок 1).

Оценки трофического статуса водохранилищ в дни съемок, полученные по значениям ИК в соответствии с разработанной градацией [Даценко, Ветрова, 2007], не обнаружили противоречий с опубликованными сведениями.

В главе 3 «Моделирование кислородного режима в долинных водохранилищах» приводится обзор подходов к моделированию режима растворенного кислорода в водоемах, рассматриваются модели, в которых присутствует переменная «растворенный кислород», обосновывается выбор в качестве инструмента исследования гидрологической модели водохранилища ГМВ-МГУ.

50% 40% ■ 30% -20% •

10% ■

0%

а)

11981-2013 гг. В 1974-1980 гг

Л

ПпПЛп п111 |ППП

пВД

МШ

1/1 чО о' ОО •— О 'ПГ^ О М (>! О 'Л ОО О ^ г^ЧооС Г4- 1—1 СО ООСГ' О1-1^ ^О О!4- г^ '—|

0 — -1ГЮ100 — — пппгюто— — — — — — пгшоо-^-'^ — гчпгтмо^г)

§ § ё 3 Щ 5 Щ Щ § 5 Щ § § 3 ^ 3 ё § § § § ё § § Щ ё ё ё §

— ЧО СТ-! К ГП —

0- — ИПОО'---(Ч га га гл го о — — — ---—-^пгдпоо- —- ^пппппо^гд

Рисунок 1 - Объем гипоксидной зоны с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л в процентах от объема водохранилища (о) и индекс кислорода (б), рассчитанные по данным гидролого-гидрохимических съемок Можайского водохранилища в летний период

Обзор гидроэкологических моделей, в которых присутствует переменная «растворенный кислород», позволяет сделать вывод о том, что все они основаны на построении уравнения баланса кислорода с большим или меньшим числом переменных. Наиболее полно учитывают специфику процессов, происходящих в водохранилищах, модели семейства СЕ-ОиАЬ, а также квазидвумерная боксовая модель ГМВ-МГУ, которая в силу адаптированности для водохранилищ Москворецкой водохозяйственной системы выбрана

в качестве инструмента исследования. Водохранилище в данной модели представляется в виде совокупности отсеков, разделенных на горизонтальные боксы, к каждому из которых последовательно применяется алгоритм расчета вертикальной структуры водоема. Сначала производится расчет химико-биологической трансформации параметров качества воды, а затем - их изменения в результате протекания процессов внутреннего водообмена. Расчетные шаги составляют 1 сутки по времени и 1 метр по глубине.

Схема связей растворенного кислорода — одна из самых сложных в экологическом блоке модели: в ней учитывается обмен с атмосферой, фотосинтез, дыхание гидробионтов, затраты на нитрификацию, окисление ОВ, восстановленных соединений железа и марганца и др.

Для расчетов по модели требуется информация о морфометрии всего водохранилища и каждого из его расчетных отсеков, на которые разделяется водоем, начальное распределение всех характеристик, а также текущая информация - среднесуточные значения метеорологических характеристик, расходов и характеристик воды притока, а также сбросов воды гидроузлами.

Важнейшим элементом адаптации модели к каждому водному объекту является ее верификация, калибровка и валидация.— этапы проверки качества воспроизведения моделью режима растворенного кислорода. Количественная оценка качества моделирования производилась с использованием величины среднеквадратической ошибки расчета 5 и широко применяемого в гидроэкологическом моделировании индекса Тейла Т, при значении которого менее 0,4 качество расчета считается хорошим:

где 02р и 02ф — фактическая и расчетная концентрации растворенного кислорода, п - длина ряда.

Верификация кислородного блока ГМВ-МГУ по данным гидролого-гидрохимических съемок Можайского водохранилища показала адекватность

воспроизведения кислородного режима водоема. При этом обнаружен недоучет процесса потребления РК грунтами дна, ввиду чего алгоритм модели им дополнен. В процессе работы выполнено по 3 калибровочных расчета для 1984 и 2012 расчетных лет: без учета потребления растворенного кислорода донными отложениями (КР-1), после добавления в алгоритм расчета этой величины в подпрограмме OXYGEN (КР-2) и после калибровки скоростей потребления кислорода донными отложениями (КР-3). Калибровочными расчетами установлены оптимальные значения скоростей потребления растворенного кислорода отложениями в водохранилищах Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы, которые позволили существенно улучшить качество воспроизведения моделью вертикального распределения 02.

Таблица 1 - Оценка погрешности смоделированных значений содержания растворенного кислорода в Можайском водохранилище в 1984 и 2012 гг. по результатам двух серий калибровочных расчетов (S - среднеквадратическая ошибка расчета, Т— индекс Тейла, п — длина ряда)

1984 год 2012 год

Дата КР-1 КР-2 КР-3 Дата КР-1 КР-2 КР-3

S Т S Т s Г 5 Г S Т S Г

29 января п= 185 1,84 0,11 1,62 0,10 1,38 0,08 24 марта п= 191 1,77 0,11 1,73 0,11 1,66 0,09

27 апреля п = 232 4,16 0,25 3,81 0,24 3,42 0,21 16 мая п = 245 1,73 0,09 1,71 0,09 1,67 0,09

28 мая л = 239 1,87 0,10 1,36 0,10 1,16 0,08 25 июня /1 = 245 2,20 0,18 2,04 0,17 1,66 0,14

20 нюня п= 186 1,79 0,13 1,64 0,13 1,57 0,11 10 июля п = 245 2,23 0,20 2,15 0,20 1,97 0,18

3 июля и = 233 1,84 0,13 1,81 0,13 1,74 0,13 7 августа /1 = 245 2,28 0,24 2,11 0,23 1,82 0,20

24 июля и = 243 2,36 0,21 2,23 0,20 1,95 0,18 29 августа /1 = 245 1,46 0,11 1,44 0,11 1,36 0,10

20 августа п = 240 2,58 0,21 2,51 0,21 2,33 0,19 1 ноября /1 = 227 0,80 0,04 0,74 0,04 0,63 0,03

2 октября и = 234 2,30 0,15 2,28 0,28 2,21 0,14 12 января п = 227 2,84 0,14 2,24 0,12 1,10 0,06

10 ноября п= 105 1,66 0,08 1,66 1,66 1,64 0,07

В целом за год 2,24 0,16 1,97 0,15 1,58 0,11 В целом за год 1,99 0,12 1,84 0,12 1,57 0,10

Валидация модели - количественная оценка сходимости результатов моделирования с данными наблюдений, не использовавшимися при верификации и калибровке, производилась для всех четырех водохранилищ Москворецкой водной системы (при этом калибровка модели производилась только для Можайского). В качестве фактических данных использовались результаты 29 съемок Можайского водохранилища и 11 серий съемок Рузского, Озернинского и Истринского водохранилищ в различные сезоны года в период с 1974 по 2013 гг., а также учащенные данные рейдовых наблюдений на Красновидовском плесе Можайского водохранилища за период 1998-2000 гг. и 2010-2011 гг. Использование данных рейдовых наблюдений позволяет оценить качество воспроизведения моделью вертикального распределения содержания кислорода в течение годового цикла.

В результате оценки качества расчета по данным учащенных наблюдений на рейдовой станции в центральном районе Можайского водохранилища получено, что средняя квадратическая ошибка расчета содержания РК изменяется в пределах от ±1,9 до ±2,2 мг/л при длине ряда п от 286 до 943 измерений. При этом в 1998, 2010 и 2011 гг. данными наблюдений охвачен преимущественно вегетационный период, тогда как в 1999 и 2000 годах измерения на водоеме производились в течение всего года.

Полученные значения средней квадратической ошибки модельного расчета и индекса Тейла свидетельствуют о высоком качестве воспроизведения моделью ГМВ-МГУ режима растворенного кислорода во всех водоемах, что подтверждается и сравнением расчетных и фактических эпюр вертикального распределения содержания кислорода (рисунок 2).

Подробная верификация, калибровка и валидация кислородного блока гидрологической модели водохранилища ГМВ-МГУ позволила с уверенностью использовать данный инструмент для проведения диагностических и сценарных расчетов режима растворенного кислорода в рассматриваемых водохранилищах.

а) 26.07.2000

О 2 4 6 8 10

182 180 178 176 174 172 170 168 166

в) 28.07.2000

0 2 4 6 8 10

170 168 166 164 162 160 158 156 154 152 150

г) 10.07.2000

6)26. 0

182 180 178 176 174 172 170 168 166 164 162

07.2000 2 4 6 8 10 12

—Рлссчнтлнные'шлченпя —♦—Наблюденные значения

Рисунок 2 - Вертикальное распределение растворенного кислорода (мг/л)

в центральном районе Рузского (а) и приплотинных районах Озернинского (б),

Истринского (в) и Можайского (г) водохранилищ по результатам расчетов

и данным наблюдений (по вертикальной оси — горизонт, м БС)

В главе 4 «Модельная оценка влияния гидрометеорологических условий на кислородный баланс и режим Москворецких водохранилищ»

подробно рассматриваются различные аспекты режима растворенного кислорода в водохранилищах долинного типа с замедленным водообменом, предназначенных для питьевого водоснабжения г.Москвы.

Так, впервые подробно рассмотрена структура кислородного баланса Москворецких водохранилищ в летний и зимний периоды. Рассчитаны балансы кислорода во всем водохранилище и в отдельных его районах: верховом, центральном и приплотинном.

Как показали расчеты, в приходной части баланса полностью доминирует фотосинтез. В расходной части наиболее велик вклад дыхания фитопланктона, эвазии и затрат на окисление ОВ (таблица 2).

Таблица 2 - Диапазон величин составляющих кислородного баланса Можайского (М), Рузского (Р), Озернинского (О)

и Истринского (И) водохранилищ в летний период по результатам диагностических модельных расчетов в 1974, 1975, 1990, 1997 и 2000 гг.

ПРИТОК сток

[ Водохранилище Форма выражения Приток с реками Боковой приток | Обмен с дном Осадки Фотосинтез Поступление из атмосферы Обмен с дном Сбросы гидроузла Уход в атмосферу Дыхание фитопланктона Затраты на нитрификацию Окисление детрита Дыхание зоопланктона Окисление лабильного ОВ Окисление стойкого ОВ Окисление восстановленных веществ Потребление грунтами дна Дыхание рыб

М тонн 86-640 9,8-78 0 34-93 8307-23926 0-399 0-42 42-448 1935-7831 3046-8961 138-380 367-1480 439-1647 540-2160 1225-2924 4,2-35 274-420 0-368

% 1-4% 0-1% 0% 0-1% 94-99% 0-3% 0% 0-3% 22-32% 28-37% 1-2% 3-7% 3-11% 4-11% 8-18% 0% 1-4% 0-3%

тонн 47-743 28-398 0% 35-86 6747-14617 0-2,9 2,7-38 391-111 2160-5298 2355-4543 101-233 240-461 225-646 311-777 1115-2179 5,4-17 159-331 164-275

% 0-5% 0-4% 0% 0-1% 92-99% 0% 0% 3-10% 26-35% 28-36% 1-2% 2-4% 3-7% 3-6% 11-19% 0% 1-4% 2-3%

О тонн 57-174 13-131 0 33-52 2795-6348 0-48 5,2-14 258-401 578-1856 1002-2040 153-222 145-271 146-479 159-275 840-1383 4-53 127-246 119-184

% 1-3% 1-2% 0% 1% 92-97% 0-2% <1% 5-7% 16-30% 27-32% 2-5% 2-4% 2-7% 3-4% 15-23% 0% 2-5% 2-4%

И тонн 108-286 94-245 0 42-79 5232-7766 0-46 1,8-21 106-407 907-2116 1773-2784 129-320 275-485 452-839 250-419 1107-1502 4-13 328-428 208-281

% 2-4% 1-3% 0% 1% 92-96% 0-1% 0% 1-6% 15-25% 28-32% 2-4% 3-6% 7-10% 3-5% 13-18% 0% 4-7% 3-4%

При анализе результатов расчетов установлено, что в структуре баланса кислорода различия между водохранилищами незначительны. Не претерпевает существенных изменений структура баланса и в зависимости от водности года.

Рассмотрение баланса кислорода по районам водохранилищ позволило оценить вклад течений в перенос кислорода внутри водохранилища.

Получено, что вклад течений в поступление кислорода в отдельные районы сопоставим с процессом фотосинтеза. В летний период большие объемы воды переносятся дрейфовыми течениями, их вклад может достигать до 30—40% от приходной или расходной части кислородного баланса района. Однако наиболее важным результатом следует считать количественные оценки переноса РК плотностными течениями, с которыми в период существования стратификации водной толщи осуществляется поступление кислорода, растворенного в речных водах, в гиполимнион центрального и приплотинного районов, где в летний период отмечается резкий дефицит кислорода.

В период ледостава структура баланса РК во многом определяется режимом регулирования стока гидроузлом. Единственной составляющей приходной части в балансе в это время являются речные воды. Структура расходной части также упрощается: до половины от общих затрат РК составляют сбросы в нижний бьеф, значительное количество кислорода расходуется на окисление ОВ, а также потребляется грунтами дна. Расчетами показано, что к моменту начала нового водохозяйственного года запасы кислорода в водохранилищах сокращаются почти в 2 раза.

При помощи модельных расчетов рассмотрены условия формирования и развития бескислородных зон в Москворецких водохранилищах летом, а также влияние водности года и погодных условий на этот процесс. Гипоксидная водная масса начинает формироваться в рассматриваемых водоемах в конце мая - начале июня. Сценарными расчетами показано, что интенсивность увеличения ее объема определяется типом погоды: при сохранении безветренной жаркой погоды длительное время запасы кислорода в гиполимнионе активно расходуются на окисление ОВ и дыхание гидробионтов, ввиду чего стремительно увеличивается объем гипоксидной и

аноксидной водных масс, а также увеличивается продолжительность их существования (таблица 3). С увеличением водности года кислородные условия в водохранилищах в вегетационный период улучшаются.

Таблица 3 - Характеристики зон гипоксии и аноксии в водохранилищах Москворецкой водохозяйственной системы по результатам диагностического и сценарного (при возникновении жаркой погоды) модельных расчетов

Расчет Объем водных масс с содержанием растворенного кислорода менее 6 мг/л, |_ % от объема водохранилища Объем водных масс с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л, % от объема водохранилища Объем водных масс с отсутствием растворенного кислорода, % от объема водохранилища Объем водных масс с содержанием растворенного кислорода менее 6 мг/л, млн м* Объем водных масс с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л, млн м5 Объем водных масс с отсутствием растворенного кислорода, млн м* Дата максимального объема зоны гипоксии (менее 6 мг/л) Дата максимального объема зоны гипоксии (менее 2 мг/л) Дата максимального объема зоны аноксии (0 мг/л) Период существования водных масс с содержанием О2 < 6 мг/л, сут Период существования водных масс с содержанием 02 < 2 мг/л, сут Период существования водных масс с отсутствием О2, сут

Можайское водохранилище

1997 год 56% 33% 15% 143 59 27 15.авг 11 .авг 12.авг 131 101 70

Сценарий 58% 35% 16% 123 61 26 09.июл 01.авг 15.авг 134 106 78

Рузское водохранилище

1997 год 52% 40% 24% 167 76 46 16.авг 05.авг 04.авг 133 117 85

Сценарий 58% 44% 32% 111 84 59 Об.авг Об.авг 15.авг 138 121 90

Озернинское водохранилище

1997 год 59% 35% 20% 68 40 23 11.авг 11 .авг 11.авг 127 103 84

Сценарий 61% 41% 29% 74 49 30 ЗО.июл 11.авг 27.авг 132 106 87

Истринское водохранилище

1997 год 45% 26% 15% 89 58 33 13.авг 13.авг 13.авг 127 109 100

Сценарий 62% 43% 26% 95 65 40 11.авг 16.авг 16.авг 134 116 105

Регулирование уровня воды в летний период также оказывает существенное влияние на кислородный режим. В первую очередь это проявляется в увеличении водной массы с резким дефицитом кислорода с ростом уровня в Можайском и Рузском водохранилищах. В морфологически более сложных Озернинском и Истринском водохранилищах повышение уровня при прочих равных условиях не приводит к ухудшению кислородных условий (рисунок 3).

а)

30 п . --25

г г

¿=20-

0

>а о 15

1 3 10

О у

е. Ьй <

и о 5

£ о

35

г г

% I 25

Ю м

° .я 20 1 1 15

178 180 Уровень, м БС

в)

184

5 ■ 0

176

178 180 Уровень, м БС

д)

182

184

г з 20 -| - £

■» О

>2 <" 15 \

| 1 10 5 5

— 5

О =

5 о

178 180 Уровень, м БС

Ж)

182

Ч Я

V о

в. х

О 2

25

3 20 г

5 15

5

0

1 ю

5

0

1 ^ £ -- 40

30

в

:я с

з

2 =

| «

в 3

5 =

Б О

20

% 10

о

178 180 Уровень, м БС

г)

184

60

50 -

ю о л б 40 -

м

Я с 30 -

я 20 ■

и 'Л с с 10 ■

£ и 0

и е4

л -

! 1 :Я С

176

50 40 -30 ■

178 180 Уровень, м БС

е)

182

184

184

= :5

ч я 20

1! = X 10

I I

г Е о

178 180 Уровень, м БС

Ч)

182

184

50

I г?

л .

«5 3 «1« 3 £

3 1 р й I 3 30 « 3

170

172

г =20

164 166 168 Уровень, м БС • Многоводный ГОД

170

172

162 164 166 168 Уровень, м БС

• Маловодный год • Средневодный год

Рисунок 3 - Изменение среднего (а, в, д, ж) и максимального (б, г, е, и) объема зоны острой гипоксии (в % от объема всего водохранилища) с содержанием растворенного кислорода <2 мг/л по результатам сценарных расчетов в летний период при изменении уровня воды в Можайском (а, б), Рузском (е, г), Озернинском (д, е) и Истринском (ж, и) водохранилищах

В заключении перечислены основные результаты и сформулированы выводы исследования. К ним относятся следующие положения:

1. Проведенные расчеты интегральных показателей кислородного режима (запасов растворенного кислорода, объемов зон с острой гипоксией, индексов кислорода (ИК)) по данным наблюдений доказали их связь с параметрами устойчивости водной толщи. Полученные статистически значимые связи индекса кислорода с величиной стабильности водной толщи Я, и объемом гипоксидной зоны, а также с содержанием хлорофилла «а», являющимся показателем продуктивности водоемов, обосновывают эффективность применения ИК для сравнения кислородного режима в долинных водохранилищах.

2. Результаты верификации кислородного блока модели ГМВ-МГУ, учета в его алгоритме процесса поглощения кислорода донными отложениями, серии калибровочных, а также подробных валидационных расчетов режима растворенного кислорода на независимом материале во всех исследуемых водоемах в различающиеся по гидрометеорологическим условиям и режиму работы гидроузла годы показывают высокое качество воспроизведения кислородного режима гидрологической моделью водохранилища и обосновывают ее применение в качестве инструмента исследования изменчивости пространственных полей растворенного кислорода в водохранилищах.

3. При помощи диагностических модельных расчетов впервые установлен вклад различных составляющих в структуру кислородного баланса в разных районах водохранилищ в зимний и летний период, выявлена роль генетически различных течений воды в переносе кислорода между районами, а также вклад химико-биологических процессов в поступление и отток кислорода из водохранилищ. Показано, что в периоды стратифицированности водной толщи течения играют важнейшую роль в переносе кислорода слабопроточных долинных водохранилищах, особенно в период ледостава.

4. Впервые установлено, что наихудшие кислородные условия формируются в маловодные годы в узких и глубоких Можайском и Рузском водохранилищах. Различия максимальных объемов гипоксидной и аноксидной зон в зависимости от водности года значительно варьируют. Установлено также, что летом при увеличении длительности жаркой погоды происходит увеличение продолжительности существования бескислородных условий и значительно возрастают скорости истощения запасов кислорода в гиполимнионе водохранилищ.

5. Модельными расчетами показано, что в Можайском и Рузском водохранилищах с ростом уровня воды летом следует ожидать существенное увеличение объема гипоксидной водной массы, что связано с увеличением доли гиполимниона в общем объеме водохранилищ. В то же время в более мелководных и морфологически сложных Озернинском и Истринском водохранилищах подобных изменений в кислородных условиях может и не быть.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1.Даценко Ю.С., Ерина O.H., Пукпаков В.В., Эдельштейн К.К. Модельная оценка влияния внутриводоемных процессов на экологическое состояние стратифицированых водохранилищ // Вода: химия и экология, 2014, №9. С. 9-14.

2. Ерина O.H. Прогностические оценки кислородного режима и качества воды в Можайском водохранилище в экстремально жаркую погоду // Вестник Московского университета. Серия 5: География, 2014, №6. С. 10-15.

3.Даценко Ю.С., Ерина O.H., Пуклаков В.В. Моделирование развития фитопланктона в Рыбинском водохранилище // Водное хозяйство России, 2015, №1. С. 32-40.

В прочих изданиях:

1. Даценко Ю.С., Брина О.Н., ПуклаковВ.В. Опыт имитационного моделирования кислородного режима стратифицированного водохранилища // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. II. Труды Международной научно-практической конференции. Пермь: изд-во ПГУ, 2011. С. 51-55.

2. Ерина О.Н. Моделирование кислородного режима водохранилищ Москворецкой водной системы // Бассейн Волги в ХХ1-м веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ. Сборник материалов докладов участников Всероссийской конференции. Институт биологии внутренних вод, Борок. Ижевск: издатель Пермяков, 2012. С. 67-69.

3. Ерина О.Н. Моделирование кислородного режима стратифицированного водоема // Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах. Материалы V Всероссийского симпозиума с международным участием. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. С. 152-156.

4. Даценко Ю.С., Ерина О.Н., Пуклаков В.В. Моделирование режима фосфора в стратифицированном водохранилище // Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах. Материалы V Всероссийского симпозиума с международным участием. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. С. 379-382.

5. Даценко Ю.С., Ерина О.Н., ПуклаковВ.В., Соколов Д.И. Оценка возможности моделирования режима экологически значимых характеристик качества воды водохранилищ Московского региона // Сб. трудов II открытой конф. Науч.-обр. центра «Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление». М.: ИВП РАН, 2012. С. 107-118.

6. Даценко Ю.С., Ерина О.Н., Пуклаков В.В., Соколов Д.И. Адаптация модели ГМВ-МГУ для расчета показателей качества воды в Учинском водохранилище // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. II. Труды Международной научно-практической конференции. Пермь: изд-во ПГУ, 2013. С. 53-57.

7. Ерина О.Н. Диагностические расчеты кислородного режима стратифицированного водохранилища в условиях малой водности. // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. II. Труды Международной научно-практической конференции. Пермь: изд-во ПГУ, 2013. С. 73-78.

8. Даценко Ю.С., Ерина О.Н., Пуклаков В.В. Моделирование режима растворенного кислорода в стратифицированном водохранилище // Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз: материалы всероссийской научной конференции. Новочеркасск: изд-во «ЛИК», 2013. С. 309-314.

9. Эделыитейн К.К., Даценко Ю.С., Пуклаков В.В., Гречушникова М.Г., Ерина O.H., Соколов Д.И. Современная методика расчета формирования качества воды в водохранилищах централизованного водоснабжения // Вода Magazine, 2013, №6. С. 48-54.

10. Ерина О.Н. Возможные изменения кислородного режима Истринского водохранилища при наступлении экстремально жаркой погоды // Проблемы гидрометеорологического обеспечения хозяйственной деятельности в условиях изменяющегося климата: материалы Международной научной конференции. Минск: издательский дом БГУ, 2015. С. 77-79.

11. Ерина О.Н. Многолетняя и внутригодовая изменчивость индекса кислорода в водохранилищах Москворецкой водной системы // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т.Н. Труды Международной научно-практической конференции. Пермь: изд-во ПГУ, 2015. С. 53-56.

12. Ерина О.Н. Модельная оценка составляющих кислородного баланса Можайского водохранилища в летний период // Материалы научной конференции «Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод». Ч. 2. Ростов-на-Дону, 2015. С. 357-361.

Подписано в печать:

29.09.2015

Заказ № 10901 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru