Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Трансформация соединений фосфора в пресноводных экосистемах

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Трансформация соединений фосфора в пресноводных экосистемах"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

ОД

л-*-! На правах рукописи

1 г И ; • -л л

БУЛДОВСКАЯ ОЛЬГА РАФАИЛОВ НА

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА В ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Мсс!с"2 - 199В

Работа выполнена в лаборатории математическое моделирования экологических процессов Института водньс проблем РАН

Научный руководитель - доктор химических наук,

старший научный сотрудник А.В. Леонов.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

Ведущая организация - Институт географии РАН (г. Москва)

на заседании диссертационного совета Д-053.05.30 npi Московском государственном университете им. М.Е Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горь МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотек! географического факультета МГУ на 21 этаже

Автореферат разослан ^ сентября 1998г.

наук,

старший научный сотрудник B.C. Савенко,

кандидат географических наук, старший научный сотрудник Е.В. Якушев

Защита состоится.

1998 г. в часо!

Ученый секретарь диссертационного совета"! " кандидат географических наук w '

ч_. у u^C'VC. w O-'v__-—

С.ФАлексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Евтрофирование природных вод под «действием избыточного поступления в них биогенных веществ гносится к ряду основных проблем современного состояния водах экосистем. Фосфор является основным элементом, определяю-им изменения трофического состояния озер, водохранилищ и эибрежной зоны океана. Поэтому изучению трансформации его >единений в пресноводных экосистемах уделяется сегодня особое шмание. Необходимость прогнозирования тенденций евтрофиро-щия и управления качеством природных вод определяют важность 13работки и усовершенствования математических моделей, описы-1ющих закономерности данного процесса .

Цели и задачи исследования. Основная цель работы со-ояла в исследовании особенностей трансформации соединений осфора и связанных с ней продукционных и деструкционных провесов в пресноводной экосистеме с помощью имитационных магматических моделей различной структуры. С этой целью ре-ались задачи: 1) расчета внутригодовой динамики концентраций итопланктона и форм фосфора в моделируемом водоеме Ачинском водохранилище), 2) оценки потоков и баланса фосфора нем, 3) выявления роли различных факторов в развитии фито-тнктонного сообщества водохранилища, 4) выяснения общих за-)номерностей формирования величин годовых потоков фосфора и )еднегодовых концентраций его форм в различных водоемах, а 1кже установления эмпирических зависимостей для их прогноза.

Параллельно с этим с целью дополнительного изучения ими-щионных моделей как инструмента водноэкологических иссле->ваний анализировалось влияние структуры имитационной модели е компонентного состава и математических формулировок рас-«триваемых процессов) на характер воспроизведения моделируе-ых показателей, возможности интерпретации и использования 1нных расчетов, а также на особенности верификации имитацион-.IX моделей водоемов.

Научная новизна работы.

1. С помощью методологии системного анализа и математиче-:ого моделирования для экосистемы Учинского водохранилища Зобщены данные натурных наблюдений (гидрохимические, метео-щдрологические, гидробиологические) за период 1982-86 гт. По ;зультатам имитационного моделирования выявлены закономер-эсти трансформации соединений фосфора в этом водоеме количественно оценены потоки форм фосфора в нем.

2. На примере моделирования развития фитопланктона и д намики соединений фосфора проанализировано влияние структур имитационной модели на характеристики ее адекватности и вс можности использования. Предложены новые модификации уравн ний для описания основных метаболических функций гидроби нтов.

3. Систематизирована информация о потоках трансформащ фосфора в пресноводных экосистемах, полученная с помощью им тационной модели фосфорной системы. На основании ее обобш ния и анализа получены статистические зависимости для определ ния важнейших показателей состояния фосфорной системы вод емов (внешней и внутренней нагрузки по фосфору для различи! его форм, их среднегодовых концентраций). В отличие от тр диционных моделей, применяемых для оценки тенденш евтрофирования, в установленных зависимостях дифференцирова но рассматриваются основные фракции фосфора, учитывает влияние на формирование величин среднегодовых концентрат форм фосфора функционирования сообществ гидробионтов.

Практическое значение. Основные выводы по диссертацио ной работе важны при создании имитационных моделей трансфо мации биогенных веществ в водных экосистемах и при использов нии данных расчетов по ним.

Результаты моделирования предоставляют дополнительш возможности при интерпретации особенностей поведения водш экосистем и для выявления экологических закономерностей измен ния характеристик фосфорной системы и трофического состоян водоемов.

По установленным в работе статистическим зависимостям м гут быть получены экспертные оценки величин потоков фосфора его среднегодовых концентраций в неглубоких мезо-и малоевтро! ных водоемах умеренной зоны.

Апробация и публикации. Основные положения работы з слушаны на научных семинарах в лаборатории математическо моделирования экологических процессов Института водных пр блем РАН, в лаборатории геохимии Института океанологии РА Материалы, включенные в диссертационную работу, представл лись на IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилш внутренних и окраинных морей" (Москва, 1994 г.) и на Междун родном симпозиуме "Природные и социально-экономические п следствия разработки и управления водными ресурсами" (Моею 1995 г.). По теме диссертации опубликованы шесть работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-шя, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, щий объем работы составляет 240 страниц, в том числе 20 стра-ц приложения, 44 рисунка, 21 таблица. Список использованной гературы содержит 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, 1тко охарактеризованы этапы развития имитационного моделиро-шя водных экосистем как метода водно-экологических исследо-шй. Отмечены работы отечественных и зарубежных ученых в )й области. Обоснованы причины выбора данного метода для ис-эдования трансформации соединений биогенных веществ в водо-ах. Отмечается, что сформулированные цели и задачи исследова-я представляют интерес как для изучения рассматриваемых про-:сов в водных экосистемах, так и для дальнейшего развития ме-юлогии применения имитационных математических моделей в актике водно-экологаческих исследований. Представлена крат-I аннотация диссертационной работы.

В первой главе обсуждаются структурные и функциональные эактеристики водных экосистем, определяющие особенности кру-юрота в них веществ. Показана роль математических моделей (в лчюсти имитационных) в комплексных исследованиях различных 1росов формирования качества природных вод, в том числе про-:сов трансформации соединений биогенных элементов. Рассмот-1Ы методологические аспекты создания имитационных моделей юемов, касающиеся структуры моделей и возможностей их ис-пьзования. Анализируются основные принципы формализации оцессов трансформации биогенных веществ в водных экосисте-х (гидрологических, химических, физических, биологических), новное внимание уделено проблемам описания в имитационных делях метаболических процессов гидробионтов (потребления пи-[, их отмирания, выделения продуктов обмена веществ). Исходя представленной информации, предлагается дополнительно изу-гь возможности использования моделей, различающихся как ком-нентной структурой, так и математическим описанием метаболи-:ких процессов гидробионтов для исследования особенностей шсформации соединений биогенных элементов в водоемах и рмирования их трофического состояния.

Во второй главе рассмотрена "минимальная" модель взаи\ действий в системе "фитопланктон - биогенные вещества" в вод хранилище с однородными водными массами, воспроизводящая < зонные изменения концентраций биомассы фитопланктона и мш ральных форм азота и фосфора. Анализируются особенности I пользованных в модели уравнений для описания биохимическ процессов в водоеме. На примере представленной модели рассм< рены возможности применения простых имитационных моделей I исследования влияния условий среды обитания на развитие фит планктонного сообщества в водохранилищах.

Модель строилась и исследовалась с помощью моделирующ* комплекса СИМВО (разработан в ВЦ РАН), позволяющего с по\ щыо специального проблемно ориентированного языка програму рования и встроенных процедур расчетов (решения систем дифс] ренциальных уравнений, оцени! чувствительности моделей к па] метрам и т.д.) создавать компьютерные версии концептуальных \ делей.

Объектом моделирования (а также дальнейших исследован* было выбрано Учинское водохранилище. Отсутствие собственн площади водосбора у этого водоема исключает проблемы оцен боковой приточности, что позволяет достаточно точно фиксировг измерениями внешнее поступление вещества в водоем. Таким об] зом, на его примере удобно изучать внутриводоемные процес трансформации вещества, исследовать применимость различи уравнений для описания экологических процессов.

Для создания модели использовались данные натурных набл дений в 1982-86 гг., включающие измерения концентраций биом: сы фитопланктона, соединений азота и фосфора в притоке и Учинском водохранилище (мг/л), температуры воды в нем ( с \ тервалом 7-14 дней ), среднедекадные величины освещенности в< ной поверхности (Дж/(м2 сут)) и расхода водного притока (сто) (м3/с).

Анализ этих данных показал, что внутригодовой л концентрации фитопланктона в наибольшей степени связан с кономерностями изменений концентраций растворенного N нерального фосфора. При этом обнаруживается зависимое (при сравнении условий 1985 и 1986 гг.) интенсивное летнего "цветения" фитопланктона от соотношения N На этом основании была составлена концепту алы схема модели (рис.1). Разделение фитопланктона на гр; пы (диатомовые и синезеленые) обусловлено особен! стями фитоценоза водохранилища, в котором пики цветения да

температура воды освещенность I

i

-->

г»

ДИАТОМОВЫЕ СИНЕЗЕЛЕНЫЕ

-->ХМИН.

-ДЕТРИТ-

4

-> потоки вещества

между переменными модели;

--> поступление и вынос

с водным потоком; ---> влияние внешних факторов

.IX групп водорослей, резко сличающихся по оптимальным ловиям развития, четко разделе-.1 во времени.

Идентификация модели юводилась по данным 1982 г. 1я описания развития летней уппы водорослей использова-

[сь данные о характеристиках-->Рмин. -

(дной среды в 1985 и 1986 гг. зшо установлено, что при про-ой схеме представления взаи-эдействий в системе

Фитопланктон - биогенные ве-ества" и использовании клас-[ческого подхода в описании ме-болических функций гидробио-'ов для достижения приемлемо-соответствия модельных ре-льтатов натурным измерениям шходиться использовать много-

1раметрические зависимости Рис. 1. Концептуальная схема модели. абл.1). Значения части коэффи-

1ентов в них имеют формальные значения, отражающие совокуп-)е действие нескольких факторов в конкретной экосистеме.

Рост водорослей (G) рассматривается в модели как следствие лючения в состав живых клеток потребленных N и Р (потоки rN,F] и Q[P,F[), увеличения биомассы за счет других компонент, 1ставляющих вещество фитопланктона (С, Н, О, Si, S и др.) оток QIN[FJ). Рост описывается для каждой группы водорослей емя потоками:

G = Q[N,F] + Q[P,F] + QIN[F], Q[P,F] = UP(P,T,ILL) F, Q[N,F] = UP(N,T,ILL) F,

e VP - удельная скорость потребления фитопланктоном субстрата 1тания (сут"1), вычисляемая в зависимости от его концентрации в де (уравнение 1.1), от температуры воды (Г) и освещенности вод->й поверхности {ILL), F - концентрация фитопланктона (мг/л). ГN[F] определяется пропорционально скорости потребления лидирующего развитие водорослей биогенного элемента.

Предполагается, что в убыли диатомовых на фазе спада их □вития определенное значение играет зоопланктон, т.к. в конце ш в водохранилище наблюдается его интенсивное развитие.

Таблица 1. Уравнения для описания метаболических функций фитопланктона. (I - в "минимальной" модели развития фитопланктона , II - в модели фосфорной системы , III - использованные в сравнительных расчетах по модели фосфорной системы, IV - другие )

потребления субстрата питания отмирания выделения продуктов метаболизма

I UP = UPro„(S-So) 7 (Ks+S-So)" (1.1) (SPo , Тт)п<Г< Tmai SP = jSPo + а (T-T^)2, T<Tmhl (1.9) (SPo +b(T-Tm„)2,1>Tm„

II UP = UPm» /(1+Bs/ddiS,)) (1.2) SP=V! + V2 B/UP (1.10) LP=R UP (bai/a2> <U7> 1 + a2UP

III UP = UPm„ (l-eg^S)) (1.3) IJP = UPm>, S / (Ks+S) (1.4) SP = const (1.11) SP= s, exp{s2exp{-^-)) (1.12) SP= SPo ЦРщи/иР (1.13) SP= Ci/ UP + c2 В + c3 RP (1.14) R = const (1.18) R=RmttUP/UPm>I (1.19) R=R™« / (l+FP/(d DIP)) (1J0)

IV UP = UPmal s/» / (Kss+ %) (1.5) UP = UPm, S/(K,.B + S) (1.6) UP = KVS (1.7) 1!р = 1)р QsmB-QsS S «и SP= SP„ui (1 - exp (-ш SG)) (1.15) SP =SP0 exp (0.06 (T-20)) (1.16)

о Б О 3 II А 4 Е Удельные скорости (сут') соответствующих процессов: иР, БР, ЬР; концетрацин субстрата питания (мг/л): в воде - Б, внутриклеточная - 05; концентрация пщробионтов - В (ш/л) , Вя (мг Б/л) ; доля вьщеляемош метаболита от потребленного субстрата - Я; Т - температура воды (°С|; 80 - продолжительность периода субоптнмалыюш роста (сут) . Коэффициенты: ЦР1ШХ , БРтк , Ищи , (Хп , Тггах и »о , , 8Ро , Тп™ ( максимальные и минимальные значения соответствующих показателей); К5(мг/л), Кс, К,,,, (полунасыщения) : Кт~К« (самолимитигювапия). Сл/Смг суг». (1,

ля учета этого факта в модель для данного периода вводится дошка к коэффициенту смертности.

Разложение детрита описывается уравнением реакции первого эрядка, константа которой зависит от температуры воды. При этом ^генерация биогенов задается пропорционально их стехиометриче-сим коэффициентам.

На построенной модели был проведен расчет для пяти лет 982-86 гг.) без корректировки параметров (рис.2). Продолжитель-эсть модельного цикла для каждого года составила 180 дней прель - сентябрь), что соответствует вегетационному периоду в эдохранилище. Для осеннего периода (октябрь - ноябрь) модель ^адекватно описывает динамику рассматриваемых веществ, пред-эложительно, из-за игнорирования роли дна водоема в фосфорном шансе. По результатам расчетов для обобщенных за 4 - ех летний гриод серий данных о концентрациях диатомовых, Ркган и NM„H. >1ли вычислены статистические критерии соответствия моделируе-ых концентраций (Сми,)) их измеренным значениям (Сизм)\

s/a =

j 2 (Сизм.-См0д^~у 2 (Cu3MfCU3]lt)

р =

\ п 2

1 У с

П , = 1 I

♦ \

2 С мод:

П , = ! '

Критерии 5/сг и р равны: для биомассы диатомового фито-инктона 0.58 и 0.24 соответственно, для Рмин - 0.69 и 0.21, для мин - 0.63 и 0.13.

На этой модели были проведены также расчеты по сценариям различной комбинацией изменений внешних условий (биогенной црузки, температуры воды, скорости водообмена). Они показали, "о в наибольшей степени развитие водорослей в водохранилище висит от поступления биогенов с притоком в водохранилище, при ом развитие синезеленых в значительной степени сдерживается достатком Кмин в водохранилище и пониженными температурами этот период. Общая закономерность в развитии фитопланктона щохранилиша заключается в определяющем влиянии содержания 'бстрата питания водорослей на высоту пиков их "цветения" и дшературы воды на сроки периодов их активизации.

Проведенный анализ чувствительности модели к значениям па-1метров, начальных концентраций и детальности исходной

Рис.2. МЛПРЛИППЛЯНИС IlliMPIIPIIHÜ Kiliiiipirrnnimii ihirmn riQUIfTnllÜ Ы UU1lonnTILIII.1V innnil n>Mvi4i ■■ n Л/штлгглк

нформации показал весьма ограниченные возможности ее ис-ользования для других водоемов. Она может быть применена для одоемов со сходной гидрологической и биоценотической структу-ой при наличие достаточно подробной информации о регулирующих развитие водорослей факторах. Был проведен расчет по [одели для питающего Учинское Пестовского водохранилища, от-ичающегося большей скоростью водообмена (рис.3). В этих расче-ах использовалась среднемноголетняя величина скорости водооб-[ена, что, вероятно, могло быть причиной существенных отличий асчетных и измеренных концентраций для условий 1984 г.

В третьей главе рассматривается применение для исследования собенностей функционирования экосистемы Учинского водохра-илища имитационной математической модели фосфорной систе-[ы. Результаты модельных расчетов используются для оценки вели-ин потоков фосфора в водохранилище, выявления причин и зако-омерностей формирования его баланса в различные периоды года, также для изучения возможностей использования данной модели ля анализа поведения сообщества гидробионтов в зависимо-ти от меняющихся условий среды обитания. Представлены и про-нализированы рассчитанные с помощью модели балансы фосфора продукционно - деструкционных его потоков (1983-1986 гг.). [роведены численные эксперименты, выявляющие роль внеш-их факторов в развитии фитопланктонного сообщества водохрани-ища. Рассмотрены полученные монофакторные зависимости удель-ой скорости роста фитопланктона от условий среды обитания.

Модель фосфорной системы водоема была настроена для усло-ий Учинского водохранилища с учетом информации, полученной б этом водоеме с помощью простой модели (в частности были ополнительно настроены блоки модели, рассматривающие: 1) лияние на потребление фосфора фитопланктоном соотношения одержания в воде азота и фосфора, 2) развитие зоопланктона в одохранилище, 3) температурную коррекцию потребления субстра-а питания водорослями двух групп.

Модель достаточно детально описывает пулы фосфора в водой экосистеме (рис.4). Концепция функционирования водной эко-истемы, формализованная в модели фосфорной системы, предпо-агает, что специфичность трансформации соединений фосфора пределяется в водоеме внешней нагрузкой и активностью сообще-тва гидробионтов, сформированного в экосистеме в результате ействия всех факторов среды обитания. Сформулированная на ос-ове принципа сохранения массы вещества модель может быть опи-ана общим уравнением:

Б, мг/л

1984 г.

1985 г.

IV VI VIII

'IV VI VIII

е даннные натурных измерении

результаты моделирована

Рис. 3. Моделирование изменений концентраций фитопланктона минеральных форм азота и фосфора в Пестовском водохранилище в течет

вегетационного периода.

Рис. 4. Схема занмодействия компонентов имитационной модели фосфорной системы.

PD —»DOP ->ВР >ШР ->FP->ZOP

t_I t г т

nn

nnnnnnnnnnnnnr

поступление веществ из внешних источников

вода

nnnnnmnmnnnnmnnn ;,......: донные'

Püsed ;. DlPscd отложения

Формы фосфора: детритный - PD, растворенный органический - DOP, растворенный неорганический - DIP, фосфор в биомассах фитопланктона - FP, зоопланктона - ZOP, бактерий - BP

dC[fdt - Ri+LOADi,

[е С( - концентрация соответствующей компоненты фосфорной [стемы, Щ - суммарная скорость ее биохимических превращений, ОАО/ - суммарная скорость внешних потоков (адвективный внос и >шос, обмен между водой и дном).

В модели предусмотрен аппарат ее настройки на условия энкрегного водоема, что достигается особой организацией груктуры уравнений модели. Для описания основных метаболиче-шх функций гидробионтов используется единая структура уравне-ий (табл.1). Предполагается, что регуляторами потребления фос-ора гидробионтами являются температура воды, освещенность и гношение содержания фосфора в клетках к содержанию раство-гнного минерального фосфора в воде.

При такой структуре уравнений значительно облегчается иден-1фикация ее коэффициентов. Так расчеты по модели для Учин-сого водохранилища выполнялись в основном с набором коэффи-иентов, который был определен ранее при исследовании процес-)в трансформации фосфора в других водоемах с использованием эстаточно детальных наблюдений за изменчивостью характеристик эдной среды и концентраций форм фосфора в них.

Для внешних потоков - поступление с притоком (ЬОАБ¡п) и ) дна водоема (ЬОАО^г) - приняты следующие выражения:

ЮАЮЫ. = РЫ.

ЬОАВрг = Р«à (^/й)2 туи + тР„г ехр(К1г Т) g2

где Р(п. - концентрация i-той фракции в воде притока (мг/л); щп приток к водохранилищу (м^/сут), h - средняя глубина водоема (м, V - объем водохранилища (м^); Pdgr и DIPgr - констант! скоростей поступления PD и DIP из донных отложений (мг Р/(. сут)); W - скорость ветра (м/с); Т - температура воды (°С); g, Kfr i и - эмпирические коэффициенты .

Скорость седиментации детрита (SED, мгР/(л сут)) определя ется уравнением:

SED = Ksed/hPD,

где Kse(j - константа скорости седиментации детрита (м/сут); PD концентрация детрита в воде (мг Р/л).

В качестве исходной информации помимо использованной ра нее учитывалось (по измерениям 2 раза в месяц) поступление обще го фосфора (TP). Предполагалось, что 90, 9,5 и 0,5 % разно сти (TP-DIP-FP) приходится соответственно на взвешенну! фракцию, растворенный органический фосфор и бактериальный При отсутствии натурных данных о поступлении фосфора со дн водоема выделение DIP и PD задавались путем подбора величи Pdgr, DlPgf, компенсирующих недостаток фосфора в водной среде

Модель калибровалась по данным для 1985 г. Без изменени коэффициентов расчет был проведен для 1983, 1984 и 1986 п (рис.5). Визуальное и статистическое сравнение результатов моде лирования и измерений DIP, TP, а также фитопланктона свиде тельствует об удовлетворительном воспроизведении моделью дина мики указанных фракций фосфора.

Рассчитанный по модели баланс фосфора для Учинского воде хранилища за период 1983-86 гг. (табл.2) показал, что за год с по током из Пестовского водохранилища поступает от 111.11 д 246,89 тР, что составляет 36,8-57,7 % от его общего поступления водную среду. Роль дна водоема наиболее существенно проявляете в летне - осенний период ( в среднем за год из донных отложений водную среду поступает 191,55 тР, преимущественно во взвешен ной форме). Основные потери фосфора из водной среды водохра нилища связаны с его седиментацией - в среднем 68% расходно части баланса фосфора (243,5 тР). Наблюдается прямая зависи мость седиментации фосфора от его адвективного поступленш Сравнение значений количества фосфора поступающего ]

Рис. 5. Динамика содержания форм фосфора в Учинском водохранилище

в период 1983-86 гг.

Таблица 2. Годовые балансы фосфора в Учинском водохранилище ( год^ )

Составляющие баланса Р 1983 1984 1985 1986 среднее Составляющие баланса Р 1983 1984 1985 1986 среднее

11 Р И X О Д (П) РАСХШЦО

PD поступление с притоком 0,319 46.57 мзз 63.22 1.129 164.83 0.638 93.15 0.630 91.98 PD вынос со стоком 0115 25.55 0.190 27.74 0265 38.69 0212 30.95 0210 30.66

рее)спензия отложений J ,122 163.81 1Л22 163.81 1.122 163.81 JJ22 163.81 1.122 163.81 седиментация 1.425 207.9 1514 221.04 2.07(1 302.22 1662. 242.8 1668 243.53

сумма 1-441 210.39 _L555 2.251 227.03 328.65 1.760 256.% 1152 255.79 сумма 1.600 233.6 J.704 248.78 223& 240.91 L825- 1Ш 273.75 274.19

DIP поступление с притоком Q311 54.17 Ü4M 67.74 JL423 61.76 0336 49.06 0.398 58.11 DIP вынос со стоком 0327 47.74 0416 60.74 0,393 57.38 0Л13 45.70 0362 52.85

выделение из донных 0185 отложений 27.01 0.188 27.45 0.130 27.74 0.196 28.62 0120 27.74

сумма 0,556 81.18 0.652 95.19 0.613 89.50 0.522 77.67 0-589 85.99

DOP поступление с притоком 0.053 7.74 0.042 6.13 0.057 8.32 0.055 8.03 0.052 7.59 DOP вынос со стоком 0.097 14.16 0.112 1635 0136 27.16 0.145 21.17 0.135 19.71

FP+BP поступление с притоком QfflB 263 0.011 1.61 0Ш0 1.46 0.018 2.63 0.014 2.04 FP+BP+ZOP вынос со стоком 0.062 9.05 0X08 9.93 0.087 12.70 0.076 11.10 0.073 10.66

СУММА JLQ68 301.93 2Ш 329.96 2Ш 427.93 2Л61 34529 2.407 351.42 СУММА -2X86 304.56 2.3QQ _Ж 335.8 438.14 .2.409 351.71 гш 357.41

ыносимого с водным потоком, показывает, что ежегодно из водо-ранилища выносится на 13-42% меньше фосфора, чем поступает в его. При этом межгодовые колебания значений выноса фосфора гачительно меньше, чем его поступления (не более 20% в сравне-ии с 79% отклонений от средней величины поступления взвешен-ого фосфора).

Проведенный анализ величин потоков трансформации соеди-ений фосфора в Учинском водохранилище показал важную роль эобщества гидробионтов (в среднем за год около 50% общего юсфора в этом водоеме трансформируется в процессе внутреннего руговорота). Суммарная внутренняя нагрузка на водную среду со-гавляет в среднем 1,38 мгР/(л год) при средней величине внеш-ей 2,5 мгР/(л год). Чем больше фосфора поступает в водохрани-ище, тем активнее сообщество гидробионтов участвует в его нутриводоемной трансформации.

Анализ значимости различных факторов среды обитания фи-эпланктнона, проведенный на основе установленных по результа-ш моделирования монофакторных зависимостей удельной скоро-ги его роста, показал приоритетную роль температуры воды в сук-ессии доминирующих групп водорослей в Учинском водохранили-ie при второстепенном влиянии на этот процесс освещенности во-ы. Выявлено, что развитие диатомовых в значительной степени шисит от обеспеченности их субстратом питания. Тормозящее таяние этого фактора на развитие фитопланктона проявляется на ¡гаде весеннего "цветения". В период активизации летней группы эдорослей дефицита DIP в водохранилище не наблюдается, и азвитие фитопланктона сдерживается главным образом недостатки в среде минерального азота и влиянием зоопланктона.

Оценка по результатам моделирования продукции (Фц) и дест-укции (Д) органического вещества в водохранилище демонстрирует существенное превышение первой (средняя суммарная вели-;ша за период май-сентябрь Фч=1239,5 т С, Д=25 т С).

Сценарные расчеты по модели фосфорной системы не проти-эречат результатам аналогичных расчетов по "минимальной" моде-1 развития фитопланктона. Дополнительно установлено, что для jTHero периода влияние повышения температуры воды на развитие эдорослей определяется не только соответствием ее температур-эму оптимуму развития фитопланктона, но и стимулирующим iiicTBHCM на выделения DIP со дна водоема, что увеличивает со-гржание в воде субстрата питания для водорослей.

В четвертой главе рассмотрены особенности формализации i имитационных моделях скоростей процессов трансформации со единений фосфора, развивающихся в водных экосистемах с участи ем микроорганизмов (на примере уравнений, описывающих метабо лические функции фитопланктона в имитационной модели фос форной системы водоема).

Модель фосфорной системы водоема была настроена на уело вия Учинского водохранилища с шестью дополнительными вариан тами комбинаций уравнений для описания метаболических функцш фитопланктона. Специальное внимание уделялось изучению влия ния структуры этих уравнений на закономерности воспроизведени; внутригодового хода расчетных величин интенсивности метаболиче ских процессов и концентраций форм фосфора; рассматривала^ возможность использования уравнений без изменения параметро] для периодов активизации различных групп фитопланктона; оцени валась чувствительность результатов моделирования к значениях коэффициентов в этих зависимостях.

Опыт применения модели фосфорной системы водоема (< уравнениями (II) в табл.1) для различных водных экосистем показы вает, что в отличие от традиционных методов описания этих функ ций, при учете в структуре соответствующих уравнений общего по казателя физиологической активности гидробионтов (в данном слу чае скорости потребления субстрата питания) не только улучша ется гибкость модели, но и снижается чувствительность ее результа тов к значениям коэффициентов. В работе предлагается использо вать в данной модели уравнения, в которых в качестве показателе физиологической активности фитопланктона рассматривается от ношение удельной скорости потребления субстрата к ее мак симальному значению, характеризующему близость наблюдаемы: совокупных условий среды обитания к оптимальным (уравнени: (1.13) и (1.19)).

Влияние изменения структуры метаболических функций н; расчетные значения биомасс и концентраций соединений фосфор; в воде проявляется лишь в таких условиях развития популяции гид робионтов, когда существенна ее роль в формировании пула кон центраций вещества. Для мезотрофного Учинского водохранилищ значительные отклонения в моделируемых по различным уравнени ям величинах удельных скоростей отмирания и выделения DOP фи топланктоном не оказывают существенного влияния на моделируе мые концентрации форм фосфора. В то же время в случае близкое описания динамики концентраций форм фосфора с использованием

□личных уравнений потребления субстрата питания, моделируете величины удельных скоростей потребления примерно равны.

Зависимости функции потребления фитопланктоном субстрата 1тания оказывают на результаты моделирования наибольшее влия-ie. Предпочтительным представляется использование уравнения, итывающего влияние на этот процесс обеспеченности водорослей бстратом питания (уравнения (1.2), (1.5), (1.6)). Коэффициент »еврашения субстрата питания гидробионтами (d) меняется суще-венно в меньшем диапазоне (0-1), чем константы полунасыщения г и Ке. Для фитопланктона Учинского водохранилища коэффици-т превращения субстрата ( в форме DIP) был принят одинаковым я всего года равным 0,35. Ks и Ке для весеннего периода состав-ли 0,037 и 18,72 соответственно, а для летнего 0,012 и 57,75.

Для расчета удельной скорости отмирания водорослей предло-;но обобщающее уравнение (1.14), учитывающее практически весь ектр влияющих на этот процесс факторов.

Для моделирования годовой динамики форм фосфора в Учин-ом водохранилище среди метаболических функций фитопланкто-наименее значимо описание его выделительной активности. Для доемов подобной трофности очевидно предпочтительнее исполь-вать более простое по сравнению с (1.17) уравнение (1.20) оскольку описываемым продуктом обмена водорослей является ЭР, то при описании его выделительной активности предполага-:я, что доля его выделения в наибольшей степени зависит от еспеченности фитопланктона субстратом в форме DIP ).

Численные эксперименты показали, что существенную роль рает комбинация уравнений, описывающих метаболические 'нкиии организмов. Это сказывается и на чувствительности моде-к значениям коэффициентов.

Оценка чувствительности модели фосфорной системы к знаниям коэффициентов в уравнениях метаболических функций фи-планктона показала, что наибольшее влияние они оказывают на :четы самой биомассы водорослей и концентраций субстрата их тания в воде. К таким коэффициентам в первую очередь относят-константы максимальной скорости потребления и потребности в Зстрате питания. На расчетные концентрации продуктов метабо-зма фитопланктона (DOP и PD) большее влияние по сравнению значениями коэффициентов соответствующих выделительных нкций оказывает биомасса, зависящая в наибольшей степени от раметров уравнения потребления субстрата. Данный факт следует пывать в процессе настройки модели при ее использовании для :ледования других водных объектов.

В пятой главе описывается обобщающий этап исследован закономерностей трансформации форм фосфора в водных экое стемах с помощью имитационной модели. Он заключался выявлении возможных статистических зависимостей между вне! ними и внутренними характеристиками водоемов, определяющш особенности круговорота в них этого элемента. Для анализа испох зовались материалы расчетов потоков фосфора и среднегодовых е концентраций по фосфорной модели для различных водных объе тов умеренной зоны (6 озер: Балатон, Кубенское, Увильды, Котоя ви, Туусуланинъярви, Куортанинъярви и 5 водохранилищ: Ива* ковское, Можайское, Учинское, Южно-Уральское, Загорской Г ЭС ). Исследованные с помощью фосфорной модели водоен расположены в пределах 64° - 45° с.ш. Они относятся к груп мелких и средних по глубине, но различаются морфометрией, it рологическим режимом, особенностями водного баланса, по вид антропогенной нагрузки и другим условиям формирования трофи1 ского статуса. Длина анализируемых рядов составляла 38 значен* т.к. для некоторых водоемов расчеты проводились для различи] акваторий и нескольких лет. Предполагается, что подобные завис мости могут быть использованы для прогнозных оценок изменен трофического статуса водоемов.

Одной из основных проблем в использовании имитационн: моделей для прогнозных оценок состояний водных экосистем яш ется недостаточная обеспеченность исходной информацией для i стройки моделей на условия конкретного водоема. Поэтому до с пор для экспертных оценок различных показателей качества во, часто используют эмпирические и полуэмпирические модели, частности, для исследований тенденций изменения трофическс уровня водоема широко применяются сегодня балансовые моде фосфора [Фолленвайдер (1969), Диллон (1977), Риглер (1979), Чг ра (1982) и др.], параметры которых (для расчета удержания ф< фора в водоеме) определяются по различным эмпирическим завис мостям. Их применение для изучения евтрофирования основыва! ся на представлении о наличие количественной связи между i личиной поступления этого элемента и реакцией водного объек В ряде работ была показана применимость данных зависимое! для расчетов среднегодовых концентраций фосфора для различи водоемов (Сев. Америки, Швейцарии, Юж.Африки и др.). Вмест< тем, отмечаются и существенные недостатки этих моделей. I первых, зависимости для расчетов их коэффициентов были полу1 ны при исследовании крупных озер Северной Америки и Еврог поэтому применение их для адекватного описания закономерное! евтрофирования в других типах водных объектов затруднено О-

жазано в работах Багоцкого C.B. (1989), Даценко Ю.С. (1992) и I.). Во - вторых, данные модели имеют достаточно общий ха-1ктер и могут применяться лишь на первых этапах исследо-ний для сопоставления глобальных тенденций и сопоставления иных по многим однотипным водным объектам. Для прогноза со-ояния экосистемы одного водоема такие модели мало пригодны. В третьих, сама нагрузочная концепция, лежащая в основе примене-[я подобных моделей для исследования евтрофирования требует очнения. Так, например, для расчетов концентраций фосфора )едставляется целесообразным рассматривать в качестве нагрузки ; только поступление фосфора из внешних источников в водоем, а ммарную нагрузку на водную среду. При этом ее внешней ставляющей считать поступление фосфора аллохтонного и со а водоема, а внутренней - нагрузку по фосфору, формирующуюся результате метаболических процессов гидробионтов. Соответст-ющие количественные оценки были получены по данным ими-ционного моделирования.

Установлено, что годовые поступления аллохтонного фосфора адвективный вынос фосфора из экосистем водоемов определяются значительной мере годовыми величинами коэффициента водооб-:на (для TP коэффициенты детерминации с линейными зависимо-ями г^О.76 и 0.94 соответственно ). Обменные процессы между дной массой и донными отложениями регулируются средней глу-ной (рис.6). Обнаружено четкое соответствие между годовой се-ментацией фосфора и его поступлением в водную среду, что ха-ктеризует данный процесс как основной фактор, компенсирую-ш влияние внешней нагрузки по фосфору на содержание фосфо-в водной среде (рис.7).

Рассчитанные с помощью модели внутренние потоки фосфора экосистемах водоемов были использованы для установления внут-нней нагрузки по Р, формирующейся в водоеме за счет метаболи-ских процессов гидробионтов. Данные процессы рассматриваются к реакция на поступление Р из внешних источников и со дна тшнюю нагрузку на водную среду) (рис.8). Предполагается, что шчины внутренней нагрузки водоемов по фосфору можно рас-атривать в качестве показателей их трофического статуса.

В отличие от наиболее распространенных эмпирических мо-тей евтрофирования зависимости для расчета среднегодовых кон-Егграций определены для различных форм фосфора (рис.9), мечено значительное улучшение соответствия рассчитываемых по нейной зависимости концентраций DIP при использовании вели-н суммарной нагрузки в гР/(м2 год) в сравнении с гР/(м3 год).

Lwdip Lwdop

'-У/ТР 6

О

О 20 40 клу, 1/шд

Рис. 6. Поступление в водную среду разных форм аллохтонного фосфора (Ь*) и фосфора ю донных отложений (Е) (мгР/(л год)) в зависимости от коэффициента водообмена (к„) и средней глубины (Ьа) водоемов.

Рис. 7. Седиментация детрита (Бро, мг Р/(л год» в зависимости от внешней нагрузки по Р (ЕЬтр, мг Р/(л год)) и средней глубины водоемов (Ьа).

*ис. 8. Зависимости между оцененными внутренними потоками отдельных [юрм фосфора СПЦ мг Р/(л год)) и их суммарными внешними потоками в исследодованных водоемах.

Таблица 3. Статистические зависимости для расчета величин потоков фосфора и среднегодовых концентраций его форм в водоемах.

п о т о к и , мг Р/(л год) концентрации, мг Р/л

Ь„01Р = 0.0534 к«,, 1^=0.760 (3.1) ТР = 0.017 ЬТР , г2=0.810 (3.30)

итор= 0.0160 к.„ , г2=0.792 (3.2) 0.054 К02, Г2=0.783 (3.31)

иР0 = 0.0407 к« , г2=0.404 (3.3) 0.072/Ьа01, Г2=0.689 (3.32)

Ц/гр = 0.1280 к„ , г2=0.757 (3.4) 0.0024 к„ + 0.146Л1а, , Г2=0.646 (3.33)

0.065 к«,02 - 0.046/Ъа, , Г2=0.785 (3.34)

РР0 = -0.376 + 5.92Л1а, Г2=0.510 (3.5) 0.083ЬТр0-5- 0.0016к№ - 0.25/11а, , Г2=0.900 (3.35)

РШр = 0.134 к* , г2=0.663 (3.6) 1^=0.773

Рро+Ишр = ехр (1.43 - 0.29 Ьа), Г2=0.585 (3.7) РБ = 0.004 Ьтр , (3.36)

Ррэ+Ртр = 6.098/Ьа - 0.015 к», , Г2=0.815 (3.8) 0.011 ЬТр04, Г2=0.856 (3.37)

0.021Л1а0'2, Г2=0.796 (3.38)

ЕЬТр = Р+Ц,, =0.101 к„+6.544/Ьа, Г2=0.885 (3.9) 0.015 к«ол, Г2=0.824 (3.39)

0.00012к«, + 0.0458/1т а, Г2=0.702 (3.40)

Яро = 6.826Л1а, , Г2=0.859 (3.10) 0.0137 к„°-'+ 0.0004 Ьа, Г2=0.830 (3.41)

Бро = 6.579/И, + 0.019 к« , Г2=0.861 (3.11) 0.022 ЬТр0-5 - 0.00094 к„ - 0.058/Ьа, Г2=0.918 (3.42)

Бро = 0.808 Е1_тр , Г2=0.939 (3.12)

8рО=0.594/Ь, - 0.074 кш +0.914 ЕЬТР , Г2=0.998 (3.13) Б1Р= 0.0056 ЬТР , Г2=0.529 (3.43)

0.012 Ьтр0'5, Г2=0.546 (3.44)

ОиТтр = 0.085 к« , Г2=0.933 (3.14) 0.0017 ЬТр Ьа, , Г2=0.724 (3.45)

ОШтр = 0.082 к,, + 0.161Л1а , Г2=0.935 (3.15) 0.023/1), , Г2=0.452 (3.46)

ОиТТр = 0.072к„ - 0.510/Ьа + 0.103ЕЬТр, Г2=0.947 (3.16) 0.0187 кщ0,2, Г2=0.567 (3.47)

lUUJItiil.I>l

ILtp - 0.388 ELTp , r2=0.841 (3.17) 0.0008 kw + 0.004/ ha, r2=0.539 (3.48)

ILdip = 0.0514 ELTp , r2=0.736 (3.18) 0.0063 kwa5 + 0.0026 ha„ r2=0.591 (3.49)

ILpd = = 0.216 ELTp, r2=0.821 (3.19) 0.037Ltp"-5 - 0.0006kw - 0.014/ha, , r2=0.704 (3.50)

ILdop = 0.121 ELTp, r2=0.810 (3.20) 0.08LD]P0 4 - 0.0014kw - 0.111/Iia, , r2=0.788 (3.51)

ILdip = 0.0024 kw + 0.427/ha, r2=0.762 (3.21) 0.072LDIP°-5 - 0.0015kw- 0.085Л1а, , r2=0.759 (3.52)

ILpd = 0.029 kw + 1.235/lia , r2=0.707 (3.22)

ILdop = 0.0101 kw + 0.821/ha , r2=0.691 (3.23) DOP- 0.004 LTp , r2=0.902 (3.53)

ILtp = 0.0415 kw+ 2.483/ha , r2=0.733 (3.24) 0.018/haa2, r2-0.611 (3.54)

ILdip = -0.0001 Skw+0.26/ha+0.0255ELTP, r2=0.776 (3.25) 0.012 kw0'2, r2=0.702 (3.55)

ILdip = -0.007kw+ 0.312/ha+ 0.15 ELdip, r2=0.869 (3.26) 0.0006 kw + 0.035/ha, , . r2=0.653 (3.56)

ILpo = 0.0067kw + 0.028/ha+ 0.171ELTP, r2=0.835 (3.27) 0.006 kw°'4 + 0.016/ha, , r2=0.700 (3.57)

ILtp = 0.00025kw + 0.057ha + 0.327ELTp, r2=0.859 (3.28) POP= 0.008 Ltp , r2=0.897 (3.58)

Ltp = ELTp + ILTp = 0.143kw + 9.027/ha , r2=0.933 (3.29) 0.090/ha , 0.028 kw01, 0.0007 kw + 0.080/lia, , 0.032Ltp°-5 - 0.00086kw - 0.073/ha„ r2=0.726 r2=0.830 r2=0.752 r2=0.945 (3.59) (3.60) (3.61) (3.62)

Обозначения

Поступление фосфора: аллохтонного - Lw, ,со дна - F; нагрузка по фосфору на водную среду: внешняя - EL-j-p, внутренняя - ILtp, суммарная - Ltp; Spd - седиментация, OUT-pp - адвективный, вынос фосфора (индекс указывает фракцию фосфора). Среднегодовые концентрации фосфора: общего - TP, в составе детрита - PD, растворенного органического - DOP и неорганического - DIP , взвешенного ( в составе детрита и планктона) - POP. kw -коэффициент водообмена (год-1), ha - средняя глубина водоема (м).

ур-ние (3.30)

8 12 |_тр, мг Р/(л год)

1 ■ ур-ние (143), 2 • ур-ние (3.44)

РОР

0.04

0.02

1 ■ ур-ние (3.36), 2 - урчша (3.37) РЭ ♦

0.04

0.02

8 1: Ьрр, мг Р/(л

8 12 • 1_ТР, мг Р/(л год) ур-ние (3.53)

РОР

10 20 30 40 (1.Тр Ьа),г Р/(М2

ур-ние (3.58)

0.06

0.03

8 12 1.ур, мг Р/(л год)

8 12 Ц-р, мг Р/(л |

Рис.9. Зависимости среднегодовых концентраций форм фосфора в водоёу (мг/л) от суммарной нагрузки по Рна водную среду (1/ГР)

Для годовых потоков фосфора и среднегодовых концентраций

0 форм в водоемах предложены зависимости с различным иабо-iM предикторов (коэффициент водообмена, средняя глубина, паузка по Р) (табл.3). Наибольшие коэффициенты детерминации мечаются для трехфакторных зависимостей, однако диапазон >именимости их довольно узок и определяется ограниченным со-танием значений предикторов.

Установленные зависимости для расчета среднегодовых «центраций TP и DIP были проверены по данным о концентра-1ях фосфора, приведенным в литературе о 22 североамериканских ерах: 16 из них небольшие озера шт. Айова в США [Джонс, Бах-1н (1976), Диллон (1975), Ларсен и др. (1973)]; 13 тропических эриканских озер [Торнтон, Уолмслей (1989)], 8 глубоководных ьпийских озер [Фолленвайдер (1969)], японского озера Касуми-ура [Отсуки и др. (1981)], гиперэвтрофных озер Баутцен (ФРГ) и умсе (Дания) [Иоргенсен (1980)], а также о водохранилищах: Уг-чском, Рыбинском, Куйбьппевском [в кн. Волга и ее жизнь] и Ъкснинском [Былинкина, Трифонова и др. (1981)] (рис.10). Для ;енки суммарной нагрузки предварительно по зависимостям (3.8) (3.17) рассчитывались поток со дна водоемов и их внутренняя на-узка. Можно считать, что использование установленных в работе висимостей приемлемо лишь в ограниченном интервале измене-¡я концентраций фосфора. Для общего фосфора он был определен 0,2 мг/л. Таким образом, предложенные зависимости примени-

1 для неглубоких мезо- и малоэвтрофных водоемов умеренных 1рот (как основная группа рассмотренных при анализе аквато-й). Более обобщенные зависимости (или серию уравнений) мож-> получить при статистическом анализе данных имитационных счетов для большей группы водоемов, существенно зличающимся по трофическому статусу, морфометриче-им характеристикам и географическому положению. В целом же едложенный подход к использованию материалов имита-онного моделирования представляется перспективным для прак-ки водноэкологических исследований и прогнозов.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной боте. Основные из них заключаются в следующем:

1. Функциональные особенности математических имитацион-IX моделей водных экосистем определяют их существенную ль в изучении процессов трансформации соединений фосфора в цоемах и прогнозировании изменений их состояний. Особое знание имеют возможности оценки с их помощью интенсивности утриводоемных процессов трансформации веществ, а также

Североамериканские озера: • штата Айова; * Шагава

0 Себастикук, Скаха, Каламалка и Менона. а альпийские озера, « оз. Норвиккен, о оз. Баутцен, « бух. Такахамари, д волжские водохранилища, + Шекснияское водохранилище

Рис. 10. Сопоставление среднегодовых концентраций общего и минерального фосфора, рассчитанных по уравнениям (3.30), (3.35] (3.44) и (3.45) (а-г соответственно) с их контрольными значениям»

шплексного учета влияния факторов, определяющих состояние иных экосистем. Структура модели определяет адекватность ^считываемых показателей, возможности интерпретации и даль-:йшего использования данных моделирования.

2. Установлено, что интенсивность "цветения" и сроки активи-дии фитопланктона, а также влияние на них различных факторов водохранилищах с однородными хорошо перемешиваемыми вод-ши массами могут быть определены с использованием достаточно остой имитационной модели. Так с помощью "минимальной" дели взаимодействий в системе "фитопланктон - биогенные ве-;ства" выявлено определяющее влияние условий биогенного пи-Ш1Я на высоту формирующихся пиков "цветений" фитопланктона Учинском водохранилище и температуры воды на сроки активи-лш водорослей. Рассчитанное соотношение концентрации в воде створенного минерального фосфора перед началом активизации атомовых к максимальной величине их биомассы в период ветения" составляет 1:108.

3. Основная особенность формирования годового баланса юфора в водной среде Учинского водохранилища состоит в регу-рующей роли седиментации взвешенного фосфора: отмечены ямая зависимость ее величин от поступления фосфора в водоем, также ежегодное накопление фосфора в донных отложениях. В гднем за рассмотренный период по данным моделирования доля шментации в расходной части баланса фосфора в водной среде юхранилища оценена равной 68%, а накопление фосфора на дне 9,72 т Р/год.

4. На примере модели фосфорной системы показано, что в от-?ие от традиционных методов описания метаболических функций фобионтов при учете в структуре этих уравнений общего показа-[я их физиологической активности не только улучшается гиб-:ть модели, но и снижается чувствительность ее результатов к 1чениям коэффициентов, что облегчает использование одной моги для различных водоемов. В качестве показателей физиологиче-)й активности фитопланктона можно использовать величины ¡льной скорости потребления им субстрата питания, а также от-цение этой величины к ее максимальному значению.

5. Для рассмотренных водоемов установлено существование :таточно тесной связи между годовыми величинами адвективных гаков фосфора и коэффициента водообмена (к№), а также об-теых потоков фосфора между водной массой и донными отложе-ши и значением средней глубины водоемов (Ьа). Таким обра-1, значениями данных характеристик водоема определяется

величина внешней нагрузки по фосфору на водную среду (ELxp). коэффициентом детерминации г=0,89 она может быть рассчитг по урвнению: ЕЬрр = 0,101 kw + 6,544/ha.

6. Внутренняя нагрузка водоемов по фосфору, формирующа; при метаболизме гидробионтов, является реакцией на поступлег фосфора из внешних источников и со дна (внешнюю нагрузку водную среду). Величина общей внутренней нагрузки по фосфс для исследованных водоемов составляет в среднем 0,388 ELxp.

7. Суммарная нагрузка по фосфору на водную среду опреде ет величины среднегодовых концентрации форм фосфора в во, емах. Наибольшее соответствие установленным эмпирическим за симостям отмечается для концентраций фракций взвешенного растворенного органического фосфора, а также общего фосфо Величины суммарной нагрузки по фосфору на водную среду мо рассматриваться в качестве критериев трофического состояния доемов и использоваться при оценке тенденций их евтрофиро ния.

8. Анализ применимости установленных в работе зависш стей для прогноза среднегодовых концентраций фосфора в во емах Северной Америки, Центральной, Западной и Восточной ропы, Японии и Южной Африки, показал возможность исполь вания предлагаемых уравнений для условий неглубоких, мезо-и : лоевтрофных водоемов умеренных широт.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Булдовская O.P., Даценко Ю.С. Моделирование развития с топланктона в хорошо перемешиваемых водах водохранилищ, h Водные ресурсы. Т.21, №5 , 1994. С. 536 -544

2. Булдовская O.P., Леонов A.B. Динамика и кругово соединений фосфора в Учинском водохранилище:исследовани помощью имитационной математической модели фосфорной сис мы. // Водные ресурсы. Т.23, №2, 1996. С. 176 - 188

3. Булдовская O.P., Леонов A.B. Формализация метаболичеа функций фитопланктона и моделирование динамики форм ф фора в пресноводных экосистемах. // Водные ресурсы. Т.24, I 1997. С. 97-110

4. Леонов A.B. , Булдовская O.P. Анализ данных моделирс ния динамики и потоков фосфора в разных по трофно водных экосистемах: выявление статистических связей для прогн концентраций, потоков и нагрузки по фосфору. // Водные рес сы. Т.24, № 3, 1997. С. 277 - 291

5. Бундовская O.P., Леонов A.B. Термический режим Учинского гохранилища и его влияние на развитие фитопланктонного со-щества в водоеме. //Тр. 4-ой конф-ции "Динамика и термика рек, юхранилищ внутренних и окраинных морей". 1994. M. Т.2, с.20-

5. Леонов A.B., Булдовская O.P., Соколова М.А. Динамика форм сфора в водоемах: анализ изменения концентраций и потоков сфора с помощью экологической модели. //Тезисы Межд. Симп. риродные и социально-экономические последствия разработки и давления водными ресурсами". М., май 15-20, 1995, Нац. читет РФ по Междунар. Гидрол. программе ЮНЕСКО. С.

■73.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Булдовская, Ольга Рафаиловна

Введение.

Глава 1. Современные представления о математическом моделировании процессов трансформации веществ в водных экосистемах.

1.1. Методология создания и применения в водноэкологических исследованиях математических имитационных моделей.

1.1.1. Особенности круговорота веществ в экосистемах водоемов.

1.1.2. Структурные и функциональные особенности математических имитационных моделей водных экосистем.

1.1.3. Этапы создания математических имитационных моделей экосистем водоемов.

1.2. Формализация процессов трансформации вещества в имитационных моделях водных экосистем.

1.2.1. Гидродинамические процессы

1.2.2. Химико-биологические взаимодействия.

1.2.3 Обменные процессы на границах раздела "вода-дно" и "вода-атмосфера".

Глава 2. "Минимальная" модель взаимодействий в системе "фитопланктон - биогенные вещества" в водохранилище с однородными водными массами

2.1. Задачи исследования.

2.2. Общая характеристика Учинского водохранилища как объекта моделирования.

2.3. Описание модели.

2.3.1. Основные особенности создания моделей в "Системе имитационного моделирования водных объектов" (СИМВО).

2.3.2. Анализ данных натурных измерений и компонентная структура модели.

2.3.3. Уравнения модели.

2.3.4. Идентификация коэффициентов модели.

2.3.5. Результаты расчетов и оценка адекватности модели.

2.4. Анализ особенностей развития фитопланктона в Учинском водохранилище по данным моделирования.

2.5. Оценка условий применимости модели.

Глава 3. Динамика и круговорот соединений фосфора в Учинском водохранилище: исследование с помощью имитационной математической модели фосфорной системы.

3.1. Общая характеристика модели.

3.2. Настройка модели для расчета внутригодовой динамики концентраций соединений фосфора в Учинском водохранилище.

3.3. Анализ баланса и потоков фосфора в водохранилище по данным моделирования.

3.4. Исследование продукционных процессов в водохранилище по материалам имитационных расчетов.

Глава 4. Формализация метаболических функций фитопланктона и моделирование динамики форм фосфора в пресноводных экосистемах.

4.1. Критерии выбора уравнений для описания метаболических процессов гидробионтов в математических имитационных моделях.

4.2. Описание расчетов

4.3. Анализ влияния структуры уравнений метаболических функций фитопланктона на моделирование закономерностей его развития.

4.4. Оценка чувствительности результатов моделирования концентраций форм фосфора в водохранилище к значениям параметров в уравнениях метаболических функций фитопланктона.

Глава 5. Анализ данных моделирования динамики и потоков фосфора в разных по трофности водных экосистемах: выявление статистических связей для прогноза концентраций, потоков и нагрузки по фосфору.

5.1. Эмпирические модели евтрофирования водоемов.

5.2. Анализируемая информация.

5.3. Роль проточности водоемов и их средней глубины в формировании внешних потоков фосфора в водной среде.

5.4. Внутренняя нагрузка по фосфору в экосистемах водоемов. 18б

5.5. Зависимости для расчета среднегодовых концентраций форм фосфора в водоемах.

5.5.1. Статистические связи.

5.5.2. Сопоставление с некоторыми традиционными моделями.

5.5.3. Проверка применимости установленных зависимостей.

Введение Диссертация по географии, на тему "Трансформация соединений фосфора в пресноводных экосистемах"

Евтрофирование природных вод под воздействием избыточного поступления в них биогенных веществ относится к ряду основных проблем современного состояния водоемов. На начальных стадиях данный процесс проявляется в интенсификации развития водорослей. При дальнейшем увеличении продуктивности существенно изменяются как показатели качества воды, так и структура биоценоза водоема: уменьшается концентрация растворенного кислорода в гиполимнионе и прозрачность воды, увеличивается содержание взвешенных частиц, особенно органического вещества, а также содержание биогенных элементов в седиментах, последовательная смена доминирующих популяций фитопланктона приводит к преобладанию синезеленых или зеленых водорослей, в целом уменьшается разнообразие видов гидробионтов [79].

Фосфор является основным элементом, определяющим изменение трофического состояния пресноводных экосистем. Поэтому изучению трансформации его соединений в водоемах уделяется сегодня особое внимание. Направления исследований в этой области весьма разнообразны. Исследуются как закономерности и элементы глобального стока фосфора (работы Даценко Ю.С., Эдельштейна К.К., Савенко B.C., Захаровой Е.А. и др.), так и отдельные звенья и механизмы его внутриводоемной трансформации (экспериментальные исследования и их обобщения о преобразовании соединений фосфора в процессе метаболизма гидробионтов обобщены в работах Гутельмахера В.Л., Пашкевича А.И., Петровой Н.А., Драбковой В.Г. и др.; об обменных процессах между водой и донными отложениями - в работах Мартыновой М.В., Богдановской В.В., Игнатьевой Н.В. и др.).

Метод математического моделирования позволяет объединить результаты различных исследований (биологических, химических, гидрологических) с целью решения задач комплексного изучения, прогноза и управления состоянием водоемов. Математические модели рассматриваются как неотъемлемая часть практически всех современных программ по изучению, охране, восстановлению водной среды и использованию ее ресурсов. Среди них наиболее масштабными являются программы по исследованию и мониторингу водных ресурсов крупнейших континентальных водоемов: Каспия, Арала, Байкала, Азовского моря, Ладожского озера и др. Также программа исследований глобальной динамики океанических экосистем GLOBEC (США,1994 г.) объявила моделирование физико-биологических связей в океане своей основной задачей [85].

При изучении трансформации в водоемах фосфора и прогнозировании тенденций их евтрофирования наиболее полная и разносторонняя информация может быть получена с помощью имитационных моделей водных экосистем. В них трансформация фосфора рассматривается при комплексном взаимодействии водных микроорганизмов и химических фосфорсодержащих веществ, учитывается совокупное влияние факторов среды на интенсивность протекающих при этом процессов. Данные модели предоставляют возможность оценить скорости внутренних процессов преобразования соединений фосфора в экосистеме и выявить причины происходящих изменений как качества воды, так и функционирования сообществ гидробионтов.

Как самостоятельное направление экосистемное моделирование стало развиваться с 60-ых годов. Первоначально основное внимание уделялось моделированию динамики численности популяций гидробионтов (Ивлев B.C. (1961), Меншуткин В.В. (1964) и др.).

Одна из первых математических моделей водной экосистемы была предложена Винбергом Г.Г. и Анисимовым С.Н. (1966). В ней учитывались процессы трансформации и рассеяния энергии между трофическими уровнями водной экосистемы [12]. В дальнейшем, она была дополнена введением цикла биогенных элементов (Меншуткин

B.В., Умнов А.А., 1970). Авторами отмечалось, что математическое моделирование популяций и сообществ водных организмов необходимый и существенный этап на пути решения сложнейшей проблемы рационального управления ресурсами водоемов [54]. Существенные успехи были достигнуты в этот период в моделировании процессов распространения вещества в водоемах под влиянием течений, турбулентной диффузии (работы Айтсама A.M., Васильева О.Ф., Вельнера Х.А., Джиоева Т.З., Баранника В.А., Домбровского Ю.А., Караушева А.В., Квона В.И., Симонова А.И., Филатова Н.Н., Филлиппова Ю.Г., Шеренкова И.А., Шкудовой Т.Я. и др.), ветрового переноса (работы Фельзельбаума А.Н., Иванова Ю.А., Каменковича В.М. и др.).

В 7 0-е годы математическое моделирование водных экосистем развивалось в двух направлениях: наряду с созданием базовых моделей экосистемных процессов строились модели конкретных водоемов (Великих Американских озер, озера Байкал, Азовского и Черного морей и др.). Активно разрабатывались и исследовались математические формулировки биохимической трансформации вещества в водных системах (работы Айзатуллина Т.А., Винберга Г.Г., Кузнецова

C.И., Леонова А.В., Романенко В.И., Скопинцева Б.А., Сорокина Ю.И., Хайлова К.М. и др.). Изучались количественные связи обменных процессов между водной средой, донными отложениями и атмосферой (работы Батурина Г.Н., Бордовского О.А., Мизандронцева И.Б.,

Романкевича Е.А., Ставинской Е.А., Остапени А.П. и др.). Моделирование динамики биомасс гидробионтов стало рассматриваться совместно с решением задач биологической очистки сточных вод, самоочищения и эвтрофирования водоемов, с исследованием условий функционирования водных экосистем (работы Айзатулина Т.А., Беляева В.И., Вавилина В.А., Васильева В.В., Георгиевского В.В., Горстко А.Б., Кожовой О.М., Лебедева Ю.М., Меншуткина В.В., Савчука О.П., Свирежева Ю.М., Селютина В.В., Умнова А.А, Цыцарина Г.Г. и др., а также зарубежных специалистов: Ди Торо Д.,Йоргенсена С.,Орлоба Дж.,Томана Р.,Харлемана Д. и др.). При описании динамики популяций большее внимание уделялось моделированию межпопуляционных и межвидовых взаимодействий (работы Абросова Н.С., Алексеева В.В., Полетаева И.А. и др.). Модели экологических процессов стали использоваться при изучении и планировании функционирования водохозяйственных систем (работы Ивахненко А.Г., Кочаряна А. Г., Храновича, Пряжинской В.Г. и др.).

С 8 0-ых годов, используя результаты исследований кинетических закономерностей процессов в водных экосистемах, установленных ранее, и на основании опыта создания экосистемных моделей, предпринимаются многочисленные попытки создания обобщающих "максимальных" моделей водных экосистем, а так же диалоговых моделирующих комплексов (работы Горстко А.Б., Воинова А.А., Свирежева Ю.М. и др.). Это позволило автоматизировать программирование и привлечь к использованию математического моделирования как метода исследований более широкий круг специалистов. В связи с этим значительную эволюцию претерпели и математические методы, применяемые в водной экологии. Наибольший интерес сложился в 'отношении имитационных моделей водных экосистем. В настоящее время для решения задач экологического мониторинга водных ресурсов и поддержки управленческих решений в этой области признается необходимость объединения модельных систем с информационными. Имитационные модели рассматриваются при этом как базовая основа информационно-моделирующих комплексов для управления качеством природных вод [81] . С их помощью описываются и прогнозируются биогеохимические циклы веществ, пространственно-временное распределение характеристик водной среды, оцениваются промысловое значение акваторий, последствия изменений гидрологического и гидрохимического режимов, преобразований водосборных бассейнов, эффективность водоохранных мероприятий и т.д.

Однако несмотря на накопленный богатый опыт по созданию экологических моделей водных экосистем, дальнейшее изучение имитационных моделей как инструмента исследований для различных специалистов остается актуальной задачей. До сих пор остаются открытыми некоторые вопросы, в частности размерности, идентификации, оценки адекватности, возможностей практического использования имитационных моделей. В предлагаемой работе данные проблемы обсуждаются как с теоретико-методологической точки зрения (глава 1), так и на примере конкретных моделей водной экосистемы. С помощью имитационных моделей различной структуры (отличающихся по набору учитываемых компонентов и процессов в водоеме и по математическому описанию закономерностей преобразования вещества в них) исследуются особенности функционирования водных экосистем (на примере условий трансформации в них соединений фосфора и развития фитопланктонного сообщества).

Простая" модель (глава 2) описывает внутригодовую динамику концентраций фитопланктона, растворенных минеральных форм азота и фосфора в водохранилище с хорошо перемешанными водами. Она включает установленный в процессе ее создания минимальный набор переменных, при котором модель удовлетворительно воспроизводит рассматриваемые показатели для конкретного типа водной экосистемы. В модели используются классические зависимости для описания основных биохимических процессов. Эта модель была первым практическим опытом автора в построении имитационной модели. Существенную помощь на этом этапе оказала диалоговая Система имитационного моделирования водоемов (СИМВО [5, 14]), разработанная в ВЦ РАН и предоставленная для работы Отделом экологических исследований в гидроэнергетике НИИ Гидропроекта.

В дальнейшей работе информация, полученная при анализе "минимальной" модели была использована при настройке имитационной модели фосфорной системы водоема, созданной Леоновым А.В. [40]. Данная модель детально описывает пулы фосфора в водной экосистеме и учитывает в уравнениях метаболических функций гидробионтов механизм адаптации их сообществ к конкретным условиям обитания (глава 3). Результаты моделирования используются для анализа потоков фосфора в водохранилище, оценки его годовых и сезонных балансов, расчета продукции и деструкции органического вещества в водоеме.

Поскольку увеличение поступления в водоемы биогенных веществ в первую очередь стимулирует первичную продуктивность, одним из основных аспектов в исследовании проблемы евтрофирования является • изучение закономерностей развития фитопланктонного сообщества в зависимости от условий среды обитания. В этой связи особое внимание было уделено моделированию и анализу взаимодействий в системе "фитопланктон - фосфор" и оценке влияния на него различных факторов.

При создании имитационных моделей водных экосистем сегодня довольно редко пытаются установить новые зависимости для описания экологических процессов; чаще ограничиваются переложением уже известных методов и принципов описания для специфических условий конкретного водоема. При этом одной из основных задач построения модели является идентификация ее параметров, из которых наиболее изменчивы коэффициенты в уравнениях, описывающих метаболические функции гидробионтов. На примере модели фосфорной системы водоема показано, что в отличие от традиционных методов описания этих функций, при учете в структуре соответствующих уравнений общего показателя физиологической активности гидробионтов не только улучшается гибкость модели, но и снижается чувствительность ее результатов к значениям коэффициентов. Такой подход представляется перспективным для практики имитационного моделирования водных экосистем (особенно в свете актуальности создания универсальных модельных комплексов и систем), т.к. облегчает использование одной модели для различных водоемов. В работе предлагаются несколько комбинаций уравнений метаболических процессов фитопланктона, построенных по такому принципу, анализируется их влияние на чувствительность модели к ее коэффициентам и характер воспроизведения величин моделируемых показателей (глава 4).

Одной из основных проблем в использовании имитационных моделей для прогнозирования состояний водных экосистем является недостаточная обеспеченность исходной информацией для настройки моделей на условия конкретного водоема. Поэтому до сих пор для экспертных оценок различных показателей качества воды часто используют эмпирические и полуэмпирические модели. В частности, для исследований тенденций изменения трофического уровня водоема широко применяются сегодня балансовые модели фосфора [7 9], параметры которых (для расчета удержания фосфора в водоеме) определяются по различным эмпирическим зависимостям. Их применение для изучения евтрофирования основывается на представлении о наличии количественной связи между величиной поступления этого элемента и реакцией водного объекта . В 70 - х годах в результате реализации специальной научной программы по исследованию евтрофирования озер США и Канады на базе этих моделей были выработаны в общих чертах пути регулирования этого процесса в озерах. В ряде работ была показана применимость данных зависимостей для расчетов среднегодовых концентраций фосфора для различных водоемов [84, 88 и др.]. Вместе с тем отмечаются и существенные недостатки этих моделей. Во-первых , т.к. зависимости для расчетов их коэффициентов были получены при исследовании крупных озер Северной Америки и Европы, поэтому применение этих моделей для адекватного описания закономерностей евтрофирования других типов водных объектов затруднено (что показано в работах [27, 79]). Во - вторых, данные модели имеют достаточно общий характер и могут применяться лишь на первых этапах исследований для выявления глобальных тенденций и сопоставления данных по многим однотипным водным объектам. Для прогноза состояния экосистемы одного водоема такие модели мало пригодны. В - третьих, сама концепция о биогенной нагрузке водоемов, лежащая в основе применения подобных моделей для исследования евтрофирования требует уточнения.- Так, например, для расчетов концентраций фосфора представляется целесообразным рассматривать в качестве нагрузки поступление фосфора не в водоем, а в его водную среду. При этом условно считать внешней составляющей нагрузки поступление фосфора аллохтонного и со дна водоема, а внутренней - нагрузку, формирующуюся в результате метаболических процессов гидробионтов. Показатели внутренней нагрузки можно использовать и как самостоятельные критерии для характеристики трофического статуса водоемов. Количественные оценки внутренней нагрузки на водную среду можно получить по данным имитационного моделирования.

В работе предлагается использовать результаты имитационных расчетов по группе хорошо изученных водных объектов для установления статистических зависимостей между внешними характеристиками водоемов (гидрологическими, морфометрическими, поступлением веществ со стоком и т. д.) и внутренними показателями интенсивности круговорота веществ в водоеме. Реализована данная идея с использованием имитационной модели фосфорной системы t водоема для ряда различающихся по трофическому статусу водоемов умеренной зоны (глава 5). Рассчитанные с помощью модели внутренние потоки фосфора в экосистемах водоемов используются для установления внутренней нагрузки по фосфору, которая рассматривается как реакция экосистемы водоема на внешнюю нагрузку по фосфору. При этом интенсивность трансформации фосфора гидробионтами и обмена между водой и дном водоема, а также концентрации фосфора рассматриваются дифференцированно для отдельных его фракций. Сравниваются результаты расчетов среднегодовых концентраций общего фосфора по установленным в работе зависимостям и известным ранее эмпирическим моделям. По литературным данным исследуется область применимости выявленных зависимостей.

Таким образом, основными задачами, решаемыми в диссертационной работе являются:

1) исследование особенностей продукционных процессов и цикла фосфора в водной экосистеме с помощью имитационных математических моделей;

2) создание "минимальной" модели взаимодействий в системе "фитопланктон - фосфор" для приемлемого отображения сезонной динамики концентраций фитопланктона и фосфора в водоеме с перемешанными водными массами;

3) анализ влияния структуры модели водной экосистемы (компонентного состава и математических формулировок рассматриваемых процессов) на характер воспроизведения ею моделируемых показателей, возможности интерпретации и использования данных расчетов, а также на особенности верификации имитационных моделей водоемов;

4) разработка модификаций существующих схем описания в имитационных моделях метаболических функций гидробионтов;

5) обобщение результатов по моделированию с помощью имитационной модели фосфорной системы круговорота фосфора в различных водоемах с целью построения упрощенных статистических зависимостей между внешними характеристиками водных экосистем и показателями интенсивности внутриводоемных процессов; б) исследование возможностей использования эмпирических зависимостей, полученных по результатам имитационных расчетов, для прогноза тенденций евтрофирования водоемов.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Булдовская, Ольга Рафаиловна

Основные выводы:

1. Установлено, что круговорот фосфора в системе "фитопланктон-биогенные вещества" для водохранилища с однородными хорошо перемешиваемыми водными массами может быть описан достаточно простой имитационной моделью.

1.1. Выявлен "минимальный" набор переменных состояния имитационной модели для описания внутригодовой изменчивости содержания фитопланктона и минеральных форм фосфора и азота в Учинском водохранилище. Данный набор составляют: диатомовые и синезеленые водоросли, минеральный фосфор и азот, а также детрит.

1.2. Установлено приоритетное влияние температуры воды на сроки периодов "цветения" Учинского водохранилища, а условий биогенного питания (содержания в воде растворенных минеральных форм фосфора и азота) на высоту пиков развития водорослей в нем. В среднем максимум биомассы диатомовых водорослей соотносится с запасом растворенного минерального фосфора перед началом "цветения" как 108:1 (этой величине соответствует определенная при калибрации модели максимальная удельная скорость потребления фосфора диатомовыми 0.009 сут"1) .

2. Анализ чувствительности "минимальной" модели к значениям параметров, начальным значениям и детальности исходной информации показал возможность ее использования для водоемов со сходной экологической структурой при наличие достаточно подробной информации о регулирующих развитие водорослей факторах (что демонстрирует проведенный по модели расчет внутригодовой динамики фитопланктона, минеральных форм азота и фосфора для питающего Учинское Пестовского водохранилища).

3. Использование модели фосфорной системы водоема позволило выявить следующие особенности формирования годового баланса фосфора в Учинском водохранилище (для периода 1983-86 гг.): за год с потоком из Пестовского водохранилища поступает от 111.11 до 246,89 тР, что составляет 36,8-57,7% от его общего поступления в водную среду; роль дна водоема наиболее существенно проявляется в летне - осенний период ( в среднем за год из донных отложений в водную среду поступает 191,55 тР, преимущественно во взвешенной форме);

- основные потери фосфора из водной среды водохранилища связаны с его седиментацией: в среднем 68% расходной части баланса фосфора (243,5 тР); сопоставление величин седиментации фосфора и выделения его со дна свидетельствует о высокой интенсивности обменных процессов между донными отложениями и водной массой водохранилища.

- коэффициент удержания фосфора в водохранилище оценен равным 13-42%; межгодовые отличия величин составляющих баланса фосфора связаны главным образом с изменчивостью поступления фосфора с притоком к водохранилищу; наибольшие колебания отмечаются в поступлении взвешенного фосфора; отмечена прямая зависимость седиментации фосфора от его адвективного поступления;

4. Анализ величин внутренних потоков фосфора в Учинском водохранилище выявил важную роль сообщества гидробионтов в трансформации соединений Р. За год от 47% до 61% общего фосфора в этом водоеме трансформируется в процессе метаболизма гидробионтов. Формирующуяся в результате этого внутренняя нагрузка по фосфору на водную среду составляет 0, 97 - 1, 78 мгР/(л год) при величинах внешней 2, 07 - 2,93 мгР/(л год). С увеличением поступления фосфора в водную среду возрастают не только величины внутренней нагрузки, но и их соотношение с величинами внешней.

5. Уточнена значимость основных факторов среды обитания на развитие фитопланктонного сообщества водохранилища по данным расчетов на имитационной модели фосфорной системы водоема:

- установлены приоритетная роль температуры воды в сукцессии доминирующих групп водорослей в Учинском водохранилище и второстепенном влиянии на этот процесс освещенности воды; выявлено, что развитие водорослей в весенний период в значительной степени определяется их обеспеченностью субстратом питания (в форме растворенного минерального фосфора): тормозящее влияние этого фактора на развитие фитопланктона проявляется на спаде "цветения".

6. По потокам фосфора оценены величины продукции и деструкции органического вещества в Учинском водохранилище: в период 1983-86 гг. величина фотосинтеза фитопланктона за май-сентябрь составляла 1108 - 1478 тС, а деструкции ОВ 17-30 тС. Соотношение величин деструкции ОВ и фотосинтеза фитопланктона увеличивается в годы с повышенным поступлением детритного фосфора.

7. Одной из основных причин ограниченной применимости имитационных моделей для экосистем различных водоемов является повышенная чувствительность результатов моделирования к значениям параметров уравнений метаболических функций гидробионтов в сочетании с изменчивостью этих коэффициентов в диапазоне до нескольких порядков. Учет в структуре данных уравнений общего показателя физиологической активности гидробионтов (в частности, удельной скорости потребления ими субстрата питания) облегчает использование одной модели для водоемов с существенно различающимися условиями. Анализ модельных результатов с модификациями уравнений метаболических функций фитопланктона показал хорошие результаты при применении предложенного в качестве данного показателя отношения величины удельной скорости потребления субстрата к ее максимальному значению. Данное соотношение отражает на сколько совокупные условия среды обитания приближены к оптимальным.

8. Изменения структуры уравнений метаболических функций фитопланктона в имитационной модели фосфорной системы влияют на расчетные значения биомасс и концентраций соединений фосфора в воде лишь в таких условиях развития популяции гидробионтов, когда существенна ее роль в формировании пула концентраций данного вещества. Для Учинского водохранилища значительные отклонения в моделируемых по различным уравнениям величинах удельных скоростей отмирания ((4.3), (4.6), (4.8)) и выделения растворенного органического фосфора фитопланктоном ((4.5), (4.7), (4.10)) не оказывают существенного влияния на мс^делируемые концентрации форм фосфора. В то же время в случае близкого описания динамики концентраций форм фосфора с использованием различных уравнений потребления субстрата питания ((4.2), (4.11), (4.12)), моделируемые величины удельных скоростей потребления примерно равны.

9. Зависимости функции потребления фитопланктоном субстрата питания оказывают на результаты моделирования наибольшее влияние. Предпочтительным представляется использование уравнения (4.2), учитывающего влияние на этот процесс обеспеченности водорослей субстратом питания.

10. Оценена чувствительности модели к коэффициентам в уравнениях метаболических функций фитопланктона. Выявлено, что в наибольшей степени эти коэффициенты влияют на расчеты самой биомассы водорослей и концентраций субстрата их питания в воде. К таким коэффициентам в первую очередь относятся константы максимальной скорости потребления и потребности в субстрате питания. На расчетные концентрации продуктов метаболизма фитопланктона растворенного и взвешенного органического фосфора) большее влияние по сравнению со значениями коэффициентов соответствующих функций оказывает биомасса водорослей, зависящая в наибольшей степени от параметров уравнения потребления ими субстратов. Данный факт полезно учитывать при настройке модели.

11. Установлены статистические зависимости для расчета годовых потоков различных соединений фосфора и среднегодовых их концентраций, и выявлены следующие закономерности изменений данных величин в водных экосистемах.

11.1. Получена зависимость между величиной внешней нагрузки по фосфору на водную среду (ELtp/ мг Р/(л год)) и значениями средней глубины (ha, м) и коэффициента » водообмена (kw, , 1/год) : ELTp=0, 101kw, + 6, 544ha с коэффициентом детерминации г2=0 . 885. Такая тесная связь свидетельствует о том, что несмотря на различия условий на водосборах, для рассмотренного ряда водоемов данные предикторы, отражающие трансформирующую способность водоемов, наиболее значимы в формировании величин ELTp. В наибольшей степени данное уравнение соответствует условиям хорошо проточных, неглубоких озер и водохранилищ, расположенных в населенных районах лесной и лесостепной природных зон, с освоением водосбора около 40-60%.

11.2. Выявлено четкое соответствие между годовыми величинами поступления фосфора в водную среду и его седиментацией (SED) и: SED = 0,81 ELtp с г2=0,94. Существенные отклонения от данной зависимости наблюдаются при коэффициентах водообмена более 12 год-1

В целом же даже при значениях kw, около 2 0 год"1 в неглубоких водоемах процесс седиментации играет приоритетную роль в компенсации влияния внешней нагрузки по фосфору на содержание фосфора в водной среде.

11.3. Выявлено, что внутренняя нагрузка по фосфору (IL), формирующаяся в результате метаболических процессов гидробионтов, для рассмотренных водоемов составляет в среднем около 40% от поступления фосфора из внешних источников и со дна (EL) . При этом отмечается тенденция увеличения при возрастании доли растворенных форм фосфора во внешней нагрузке и при прогрессировании евтрофирования. Последнее прослеживается при сравнении как водоемов различной степени трофии, так и многолетних данных для отдельных водоемов. Наиболее низкое соотношение 151 отмечено для мезотрофного зарастающего Кубенского озера, а более высокое 70% для наиболее евтрофного водохранилища Загорской ГАЭС. Особая ситуация наблюдается для Можайского водохранилища и озера Увильды, где соотношение IL/EL составляет около 200%. Таким образом, полеченное соотношение 40% в наибольшей степени соответствует условиям неглубоких мезо-и евтрофных водоемах, характеризуемых высокой интенсивностью гидродинамических процессов (в следствие интенсивного водообмена и/или ветрового перемешивания водной массы).

11.4. Основным предиктором для расчета среднегодовых концентраций форм фосфора является суммарная нагрузка по Р на водную среду, равная сумме поступлений фосфора из внешних источников в водоем, из донных отложений и в процессе метаболизма гидробионтов. Получена зависимость среднегодовой концентрации общего фосфора (ТР) от суммарной нагрузки (L) ТР = 0,017 L с г2=0,81. В отличие от известных эмпирических моделей прогноза евтрофирования результаты имитационных расчетов позволяют установить влияние нагрузки на формирующиеся среднегодовые концентрации различных форм фосфора. Установленное отношение среднегодовых концентраций растворенных минерального и органического фосфора, а также взвешенного к величине L составляют 0,0056, 0,004 и 0,008 соответственно.

12. Предложены уравнения с различным набором предикторов (коэффициент водообмена, средняя глубина, нагрузка по Р) для расчета годовых потоков фосфора и среднегодовых концентраций его форм в водоемах могут быть построены зависимости. Наибольшие коэффициенты детерминации отмечаются для трехфакторных зависимостей, однако диапазон применимости их довольно узок и определяется ограниченным сочетанием значений предикторов.

13. Установленные зависимости для расчета среднегодовых концентраций проверены на данных для 23 североамериканских озер (16 из них небольшие озера шт.Айова), 13 тропических африканских озер, 8 глубоководных альпийских озер, японского озера Касумигаура, озер Баутцен (ФРГ) и Глумсе (Дания), а также для водохранилищ: Угличского, Рыбинского, Куйбышевского и Шекснинского. Показано, что их использование возможно для мезо-и евтрофных водоемов со средней глубиной примерно до 10 м, расположенных в таежной, лесостепной и степной природных зонах умеренного пояса, со значениями среднегодовой концентрации общего фосфора не более 0,2 мг/л. При этом уравнения без учета средней глубины применимы для расчетов концентраций Р в водоемах со средней глубиной 1-5 м. Для более глубоких водоемов лучше подходят установленные трехфакторные зависимости для расчета среднегодовых концентраций фосфора.

14. Предложенный подход к использованию материалов имитационного моделирования представляется перспективным для практики Еодноэкологических исследований и прогнозов, в частности для выявления тенденций евтрофирования водоемов.

заключение.

В работе количественные закономерности и особенности формализации процессов трансформации соединений фосфора в пресноводных экосистемах исследованы с помощью математических имитационных моделей.

Первый этап состоял в исследовании круговорота фосфора в экосистеме Учинского водохранилища. Для этого была создана простейшая модель трансформации фосфора в водной массе в системе фитопланктон-биогенные вещества", а затем применена общая модель f фосфорной системы водоема (Леонов, 1985), учитывающая также роль дна и других гидробионтов в круговороте фосфора в водных экосистемах. При настройке моделей использовались данные 5 - летних наблюдений за изменением характеристик состояния этого водоема и влияющих на него факторов.

Второй этап исследования заключался в статистической обработке данных, полученных по имитационной модели фосфорной системы для группы водоемов (озер: Балатон, Увильды, Кубенское, Котоярви, Куортанинъярви, Туусуланинъярви, а также водохранилищ:

Иваньковского, Можайского, Учинского, Южно-Уральского, Загорской ГАЭС), с целью получения регрессионных зависимостей, отражающих закономерности формирования величин годовых потоков и среднегодовых концентраций форм фосфора в экосистемах водоемов.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Булдовская, Ольга Рафаиловна, Москва

1. Айзатуллин Т.А., Лебедев Ю.М. Моделирование трансформации органических загрязнений в экосистемах и самоочищения водотоков и водоемов. В сб. Итоги науки и техники. Сер. Общая экология. Биоценология. Гидробиология. М.: ВИНИТИ, 1977, т.4., с. 8-74.

2. Айзатуллин Т.А., Шамардина И.П. Математическое моделирование экосистем континентальных водоемов и водотоков. Итоги науки и техники. Сер. Общая экология. Биоценология. Гидробиология. М.: ВИНИТИ, 1980, т.5, с.154-228.

3. Алексеев В.В. Динамические модели водных биогеоценозов. В сб. Человек и биосфера. Вып.1. М.: МГУ, 1976, с.93-100

4. Алексеев В.В., Крышев Н.Н., Сазыкина Т.Г. Физическое и математическое моделирование экосистем. Д.: Гидрометеоиздат, 1992, 364 с.

5. Ахременков А.А. Моделирующий компленкс для имитации водных экосистем. М.: ВЦ АН СССР, 1988, 48 с.

6. Ащепкова Л.Я. Исследование динамики экосистемы озера Байкал методом математического моделирования. Автореф. . канд. биол. наук. Иркутск, 197 9, 25 с.

7. Багоцкий С.В. Математическое моделирование изменения структуры экосистем при эвтрофировании водоемов. Автореф. дис. . канд. биол. наук. М.: Лаборатория мониторинга Госкомгидромета, 1989, 19 с.

8. Багоцкий С.В., Вавилин В.А. Модель развития фитопланктона в Учинском водохранилище. Водные ресурсы, 1983, N 2, с.124-131

9. Бочаров В.В., Быков Л.С. и др. Канал им. Москвы: 50 лет эксплуатации. М.: Стройиздат, 1987, 239 с.

10. Брусиловский П.М., Розенберг Г. С. Сравнительная характеристика имитационных и самоорганизующихся моделей. В сб. Проблемы экологии Прибайкалья. Иркутск, 1979, вып.З, с.169-170

11. Вавилин В.А., Циткин М.Ю. Малые математические модели в задачах прогноза степени эвтрофирования водоемов. Журнал общей биологии. 1979, N 3, с. 467-469

12. Винберг Г.Г., Анисимов С.Н. Математическая модель водной экосистемы. В сб. Фотосинтезирующие системы высокой продуктивности. М.: Наука, 1966, с. 213-223

13. Виноградова Л.А. Зависцщсть деструкционных процессов в фитоценозе от размерного состава и обеспеченности клеток фосфатами. Труды АтлантНИИРО. Калининград, 1979, вып.78, с.14