Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние макробентоса на массоперенос на границе раздела вода-донные отложения

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние макробентоса на массоперенос на границе раздела вода-донные отложения"

МНО "ФОРУМ-

АГЕНТСТВО БИОИНФОРМАТИКИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

На правах рукописи

ВИШНЕВСКАЯ Галия Наильевна

УДК 504. 06. +553.5+621. 039. 58

ВЛИЯНИЕ МАКРОБЕНТОСА НА МАССОПЕРЕНОС НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ВОДА-ДОННЫЕ ОТЛОЯЕНИЯ

Специальность 03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель:

Доктор технических наук • Е Ф. Бреховских

Официальные оппоненты:

Доктор физико- математических, наук В. А. Светлосанов Кандидат физико-математических наук Э. М. Шекшеев

Ведущая организация:

Государственный институт прикладной экологии Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации

Защита состоится. ЛУмеЖЯа 199^4. в //Нас. на засед Специализированного Совета Д 170.01.01. при Агентстве биоинформати экологии человека МНО "Форум" по адресу: 117807, Москва,ГСП-7, п пект 60-летия Октября, 7/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агентства бш форматики и экологии человека.

Автореферат разослан " ^Зи^иЬ^Ь^ 199^

г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д 170.01.01 доктор биологических наук /Р

К. М. Львов

1ЩАЯ ХАРАЙТЕРИСГШКА РАБСТВ

Агступлъиасаъ теш исследования. Проблема охраны и рационального спольэования водных ресурсов стала в настоящее время настолько а аульной, что привлекает внимание не только специалистов и государ-ствен-:ых органов, но и широкой общественности. Это не удивительно, если честь, что водопотребление в промааленнссти и сельском хозяйстве неп-ерьшно возрастает, и столь же быстрыми темпами растет уровень загряэ-е'ния 'водных объектов, начиная от мелких и кончая морями и океаном, ыход из создавшейся ситуации состоит как в срочной разработке практике ккх мероприятия, так и в расширении фундаментальных исследований роцессов, происходящих в водных объектах, что позволит надежнее прог-озировать экологическую обстановку. Следовательно, осуществление уп-авления водны).:!: ресурсам:; деллне быть обеспечено достаточно надежный («логическим прогнозен для создаваемой техногенной системы, а это озмелко только при максимально полном учете всех физико-химических и иологичеекпх процессов, происходят* в водном обгекте.

Е совокупности явлении, происходят* а еэдных сбгектах, особо адное место занимают процессы масссперекоса на границах раздела аэ. Таковой является, в частности, граница раздела вода-донные от лож? -ия. Характерней особенностью этой зоны является резкое кэшиенио в эй физических, химических и биологических свойств, что нзигГекно от-азится на интенсивности процессов массопереноса. Так, под" аоадоствисм («логических факторов (а именно,присутствие бентоошх организмов в онных отложениях) заметно изменяется- скорость массопереноса в зоне онтысга, что, в свою очередь,отралаетс?^н&>в'еличине общего потока ве-,ества в водной массе. Без знания закономерностей переноса рзстворен-ых и взвешенных веществ невоэмолно прогнозировать развитие водных косистем в реальных условиях.

Отсюда еле дуэт, что при разработка экслоппескнх моделей водных

обгектов на основе конвективно--диффузионных уравнений переноса необходимо учитывать биологические факторы (в частности, обитаемость донных отложений организмами бентоса). Это позволит получить реальные значения коэффициентов обмена и тем самым повысить надежность прогностических оценок.

Диссертационная работа посвящена изучению влияния биологических факторов на процессы массопереноса на границе раздела вода-донные отложения и влияния величин коэффициентов переноса на поток растворенных веществ в воду, потребление кислорода донными отложениями и размыв связных грунтов.

Исследования выполнялись в лаборатории массопереноса в пограничных слоях ИБП РАЕ

Цели и задачи работы. Целью работы является Законо-

мерностей массоперенсса на границе вода-донные отложения при воздействии биологических факторов. В связи с этим был определен следующий состав задач:

1) Исследование процесса массопереноса в зоне раздела вода-донные отложения в присутствии организмов макробентоса и выявление его роли в интенсификации этого процесса:

а) изучение воздействия ^акробентоса на процесс обмена растворенным веществом на границе раздела вода-дно;

б) определение влияния организмов макробентоса на потребление кислорода донными отложениями;

в) исследований влияния макробентоса на размыв связных грунтов.

2) Практическое применение результатов исследований для реальных водных объектов и разработка соотЕетсггующлх рекомендаций.

истпдипа исследований. Решение поставленных задач осуществлялось на основе лабораторных экспериментов и теоретических построений. Лабо-

раторныэ опыты проводились на разработанных в лаборатории установках с применением современных методов исследования.

Научная новизна определяется следующими результатами:

1) Разработана методика оценки влияния организмов макробентсса на диффузию растворенного вещества в донных отложниях и переход его в воду при помощи трития в качестве вещества-метки;

2) В экспериментах по потребления кислорода донными отложениями доля макробентсса определялась из непосредственней зависимости меяду скоростью потребления кислорода и численностью этих организмов;

3) Исследовано влияние организмов макробентоса на размыв связных грунте в и транспорт взвешенных нанссов.

Получении:- результаты подт5'?р.*лавтся сопоставлением с данными других исследователей.

Практическое значен;'* ;аботы заключается в том, что выявленные и уточненные представления о роли биологического фактора в процессе мас-ссг.еренсса и полученные эмпирические зависимости являются основоЛ-для расчета потоков растворенных и взвешенных земств ъ реальных водных объектах. Эти данные могут быть использованы при ; ас-четах кислородного режима водоемов и водотоков, потоков растворенного вещества на границе раздела вода-донные отложения, а танжэ при разработке методики расчета размывающих скоростей для связных грунтов- с учетам биологических 'факторов при сценке опасности вторичного загрязнения водного среды и токсичности данных отложений при проведении различного рода гидрсмелисрп-тиеных работ.

На защиту выносятся результату;

- лабораторных исследований процессов ыассопереноса на границе раздела веда-донные отложения в присутствии срганк;;исз макро-нтэса:

- расчетов коэффициентов массспе-реноса н потоков вещества а указанной зоне о уч^стн^м макробентсса;

- расчетов размывающих скоростей сеязпых грунтов при-наличии организмов макробентсса в них.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись и докладывались на Научно-технической конференции "Молодежь и экология Моск-вы"(Москва,1986), на Симпозиуме "Контроль за качеством воды в Москве -Паршке'Ч Москва,1991,Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и эстуариеЕ"( Москва, 1969), неоднократно на заседаниях Московского общества испытателей природы и ВГЕО.

Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 5 статей я 2 тезисов докладов. 2 статьи находятся в печати.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключали (основные результаты и выводы) и списка литературы (85 наименований) . Диссертация содержит 89 станиц машинописного текста,имеются рисунки и фотографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследований процессов массопе-' рэноса на границе раздела вода-дно и необходимость учета биологических факторов в них. Приводятся общие сведения о диссертационной работе.

В первой главе дается краткий обзор работ по проблеме массопере-носа на границе раздела вода-дно и рол:: макроСентоса в интенсификации этого процесса. Эти организмы способствуют увеличению потоков кослоро-да и других растворенных веществ из воды в донные отделения и наоборот. Изучению этой проблемы были посвящены теоретически? и экспериментальные работы Л. Россолимо.Р. Аллерз. Д. Кристенсена,У. Будя и др. В результата жизнедеятедиости макребентос способствует более быстрому пе-

ренссу вещества в грунте (эффект Сиоперемешивания), причем здесь наблюдается зависимость как. от вида и концентрации организмов, так и от температуры /Г. Штр, Дж. 'Гитар, А. Роббинс, 11 Стордали и др./. Для теоретического описания биопереме^ивзния обычно используется уравнение диффузионного типа с эффективны:-,а коэффициентами диффузии, однако численные оценки, полученные разными авторам могут сильно расходиться.

3 процессе самого питания и перемещения в грунте организмы макро-бектоса в значительной степени изменяет его фиэиш-механическме свойства и гранулометрический состав /П. Маккол.Ф. Николе,Д. Роадс и др./, что в случае илистых грунтов может привести к заметному снижению величины р?.з!,г^а!сщ?л скорости и увеличение концентрации взвешенных веществ в г.стске.

Ш: второй главе яэл^лени результаты лабораторных юслэдсваний го

алияни-с ыакрзбенгсса не гб.меи ге^естнсч между водой и донными отлода-нкями. Для выяснения роли макробентссных организмов в переносе растворенных веществ из грунта в веду и обратно выг.елнен цикл лабораторных экспериментов с одним из д:м;ш1!руга;х видев пресноводных организмов- -олигохетами. В ходе этих экспериментов определялись коэффициенты диффузии в грунте и поток вещества входящего в веду. В качестве индикатора использовал!! раствор тритиевой воды, физические и химические сьс?.?-твакоторой близки к свойствам обычной воды.

Коэффициент диффузии расечигызали-, исходя из полуденного в. эксг.е-рименте распределения трития* по высоте грунта с олигохетами и без них. Зто распределение при еоответсвдук^'.х начальных и граничных услсвилх описывается следующим выражением;

к -- /I

А ЛЧ У *-

с*

Си С, - концентрация гритня на глубине г в момент времени^! исходная концентрация в воде; Б - коэффициент диффузии ; - толщина слоя грунта; = ?0 = ^УК? Ь - размерный коэффициент.

Расчеты по формуле / 1/ для двух типов грунта (серого ила и смеси ила с песком) показали, что при высокой концентрации организмов коэффициент почти в два раза больше, чем в контрольном грунте. Примерно такое жэ соотношение наблвдали и по потоку вещества иг грунта, который расчитывали по изменению концентрации трития в объеме воды над этим грунтом.

Оценка интенсивности переноса растворенного вещества при наличии ходов, проделанных в грунте организмами, была сделана также с помощью коэффициента ирригации, который учитывает помимо эффекта биоперемешивания есэ и молекулярную диффузию через стенки ходов.

На основе гипотезы о быстром (по сравнению с 1галекулярно-диффузионным) перемешивании вещества под воздействием организмов сделана оценка скорости массопереноса на границе вода-донные стложения. Расчеты проводили по формуле, полученной в результате решения уравнения масссюбмена между двумя средами при соответствующих начальных условиях

где <1 <£) и С (О) - соответственно концентрация вещестга в воде над грунтом в момент времени и начальная концентрация; V и V - соответ'7

Г

твенно объем воды Над грунтом к поровой воды; К - константа скорост :: к'- К с I + / Чр).

Скорость массопереноса определяется из соотношения К = К Ь, где

О

■ пилота столба воды над грунтом. Ь?личина К^в данном случае рассма' Р14'зется как скорость биопрокачивания, т.е. как обхем тадкости, пер? я-\::1миЛ в единицу времени на единицу площади поверхности грунта. Ис

пользуя данные экспериментов с тритием, получили К5 - 0,32 и 0,56 . см/сут соответственно для грунту контрольного и с олигохетами.

Таким образом, эксперименты и сделанные с помощью различных схем расчеты показали, что при обычной для реальных водоемов плотности популяции и близкой к ?0 С температуре макробентос вносит достаточно заметный вклад з перенос растворенных веществ.

1 ЕЛ§3£ изложены результаты исследований процесса потреб-

ления кислорода донными отлоалшями и роли макробентоса в нем. Для изучения процесса потребления кислорода грунтом выполнен цикл лабораторных экспериментов с двумя доминирующими в пресны?; водах организмами - олигохетами и хирсномидами. Для проведения экспериментов разработана методика и установка. В ходе экспериментов суммарная скорость потребления кислорода донными отложениями относительно невелика - 0, 4 - 0,7

гО м сут . В то то время полученные данные свидетельствует о значи-А

тельнсм вкладе макробентсса в потребление кислорода донными' отложениями. Так на долю хироно.чид (без адаптации) приходится в среднем до 60Х суммарной величины потребления кислорода ДО, при среднем абсолютном значении 0,22 гС^м сут . В опытах с адаптированными хирономидами СПК

им колебалась от 0,04 до 0,27 гО м*сут ( при среднем значении О, И гО. -А

м сут ), что составило а среднем 30* от общего потребления кислорода ДО. Таким образом, скорость потреблния кислорода за счет влияния макробентоса в опытах с адаптацией организмов снизилась в 2 раза. Это связано с тем, что в опытах без адаптации наблюдается больнее потребление кислорода за счет взмучивания грунта макробентосам при закапывании. Результаты, полученные з опытах с адаптированными организмами более над^.чшы и лучде отражает процесс потребления кислорода ДО. Ско-

-X -1

рость потребления кислорода олигохетами составила 0,38 гО. м сут или

-А Л

45'. и 0,2*' г0, м сут пли В целом же скорость потребления кг ■„-,., „>да

«V

для макробентоса в лабораторных опытах изменялась от 0,04 до 0,€7 гО и

сут, что' составило 10-80% от общего потребления. При этом скорость потребления кислорода *в опытах с олигохетами (тубифицидами) была почти на 207. выше, чем в опытах с хирономидами, а разброс величин существенно больше, что можно объяснить различиями в способе питания.

Анализ результатов лабораторных экспериментов по влиянию макробентоса на процесс потребления кислорода грунтом показал, что зти организмы вносят сушэственный вклад в указанный процесс ( в среднем от 30 до 60Х от суммарного), причем скорость потребления зависит как от вида организмов, так и от их размера, стадии жизненного цикла и физиологического состояния. Аналогичные результаты получены в работах В. Тарасова, Р. Эдвардса к Ролли, А. Иакдоннела и С. Холла.

Теоретически описать детали потребления кислорода донными отложениями сложно, поэтому получение достоверных данных возможно пока главным образом экспериментальным путем.

Б четвертой главе изложены результаты исследования влияния макробентоса на размыв связных грунтов и транспорт взвешенных веществ.

Присутствие организмов ыакробентоса в грунте сказывается на его объемных свойствах, механической прочности и топографии поверхности. Это приводит к изменению пороговых значений скорости потока, при которых начинается размыв грунта. Е связи с этим была разработана методика, изготовлена установка и проведены эксперименты для выявления роли биологических факторов в обмене взвешенным веществом между донными отложениями и водой.

Эксперименты проводили в кольцевых каналах из оргстекла, на дне которых укладывался слой грунта (ила и его смеси с песком); вода над грунтом приводилась в движение с помощью трехлопастной механическое палки. При малых скоростях течения содержание взвешенных веществ измеряли оптическим методом на фотоколориметре "Спекол", а при высоко!" кони^ктрадш взвеси - ее осаждением на фильтрах. Использовали де*

I Я.

группы бентосных организмов - олигохет (при концентрациях до 10 экз/м .

¡Л

и личинок хирономид (при концентрациях до 3*10 экз/м ). (

Оценка величины неразмывающей скорости по формуле, предложенной Ц. Е. '.!ирцхулавой

- ^¡{¿^[У'-У')^ м

где г - ускорение силы алжести; й - диаметр частицы-агрегата; Ч0 и У -соответственно удельный вес воды и вещества, из которого сложен агрегат; п - коэффициент условий работы (для чистого потока т-1); п - коэффициент перегрузки, учитывающий пульсациснный характер скоростей; Су - расчетное сцепление сеязного грунта; к - коэффициент однородности; дает достаточно хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными. Эксперименты показали, что величины размывающих скоростей для населенного организмами грунта снижаются по крайней мере в 2,0-2,5 раза по сравнению с контрольным, причем эффект зависит от концентрации организмов и температуры.

Хотя при использовании данной формулы было получено удовлетворительное согласие с экспериментом, в ней все же содержится элемент неопределенности, касающийся размеров и однородности агрегатов. Поэтому более объективной представляется оценка роли бентоса через изменение величины касательных напряжений на поверхности донных отложений. Эти напряжения могут быть расчитаны по обычной формуле ри"4, где р -плотность воды; и - динамическая скорость. Для определения последней молно воспользоваться следующим соотношением /Ф. С. Орлов,Е. Н. Долгополо-, ва, 3935/:

и =с<.к и

где и - средняя скорость потока; к - постоянная Кармана, принимаемая обычно равней 0,4;с^- показатель степени в степенной формуле, спи лающей распределение скоростей течения нз вертикали (изменяется 2 'преде-

лах от 0,167 до 0,152 в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 4*10*

до 2*10 /Г. Шлихтинг,133Э/. Расчеты величин касателяых напряжений пска-

эали, что величина максимального критического касательного напряжения

в присутствии олигохет снижается с 0,17 н/м^для контрольного грунта до г

0,02-0,03 н/м.

Увеличению размыва илистых донных отложений может способствовать еще один биологический фактор - обрастание меклх частиц микроорганизмами (бактериями и простейшими). Предварительные расчеты показали, что у обросших частиц грунта к взвеси размером £0 ыкм гидравлическая крупность и критическое значение влекущей силы могут уменьшиться в 1,5-2,0 раза. С целью экспериментальной проверки гипотезы бил проанализирован под микроскопом гранулометрический состав взвеси в опытах по размыву грунта. Полученные данные подтвердили высокое содержание обросших частиц в этой взвеси.

ОСНШШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВШОДи

Основные результаты работы и выводы состоят в следующем:

1. Выполненные исследования доказали необходимость учета биологических факторов е массопереносе на границе раздала вода-донные отложения при оценке интенсивности этого процесса. Такой подход дает возможность более эффективно решать важные народнохозяйственные задачи, связанные с прогнозом и регулированием качества воды и с сценкой возможности последствий антропогенного воздействия.

2. Выявлена роль биологических факторов в массопереносе на границе раздела вода-донные отложения. На основе оригинальны}: методов про-й^декы лабораторные эксперименты и получены числ?нные оценки влияния

организмов макробентоса на диффузию вещества в донных отложениях и егг.

переход в воду. Коэффициент диффузии для речного серого ила без олиго-

-е 2 -С 2.

хет равен 1,8*10 см /с, с олигохетами - 3,3*10 см /с; для илистого

-/г. ' г-

песка - без олигохет 1,6X10 см /с, с олигохетами - 2,4*10 см /с , т.е.

коэффициент диффузии увеличивается примерно в 2 раза в присутствии организмов макробентоса. Впервые в такого рода экспериментах в качестве индикатора был использован тритий.

3. Исследована роль макробентоса в потреблении кислорода донными отложениями. Эти организмы енссят существенный вклад в этот процесс (в среднем от 30 до 60* от .суммарного).

4. Исследовано влияние биологических факторов на интенсивность обмена взвешенными веществами между донными отложениями и водой. Экспериментально доказана определяющая роль организмов макробентоса в размыве связных грунтов и транспорте взвешенных наносов. Установлено, что величина размывающей скорости может уменьшиться в 1,5-2/0 раза в зависимости от концентрации организмов и температуры. Расчетным путем и экспериментально исследован эффект обрастания частиц грунта и взвеси микроорганизмами и показано, что его влияние-на транспорт взвешенных наносов может быть значительным.

Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем при решении важных практических задач: при разработке оптимальных методов управления качеством воды в водоемах; при разработке методики расчета неразмывающих скоростей для связных грунтов и прогноза заиления водохранилищ; при оценке опасности вторичного загрязнения водной среды и токсичности денных отложений при проведении различного рода гидромелиоративных работ; при совершенствовании методики расчета кислородного режима водоемов.

- 12 -

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Г. Е Вишневская. К вопросу о .массообмене между донными отложениями и водой в р. Яузе. Тезисы докладов Московской научно-технической конференции "Молодежь и экология Москвы",Москва, 39S6 г. , стр. 96-97.

2. В. Ф. Бреховеких, Г. Е Вишневская, Е К. Дебольский. О возможности выноса примеси из донных отложений. Тезисы докладов Всесоюзного гидрохимического совещания,Ростов-на Дону,1987 г.,стр. 15-17.

3. Б. Ф. Бреховеких,Г. Е Еишневская, Е К. Дебольский, Е С. Золотарева. Влияние бентоса на размыв донных отложений, " Бодные ресурсы", 1988,!13 .стрЮЗ-ЮЗ.

4. R Ф. Бреховеких, Г. К Вишневская, А С. Власова, Е Е Романов. О влиянии организмов макробентоса на массоперенос в донных отложениях,"Водные ресурсы, 1989, N 1, стр. 128-133.

Б. Е Ф. Бреховеких,Г. Е Еишневская,)! А. Мордасов, О влиянии бентосиых организмов на величины размывающих скоростей связных грунтов. // Гидрофизические процессы в реках .водохранилищах и окраинных морях. Москва, Наука, 1089 г. , стр. 19-28.

5. Г. Е Еиснвская. Ешание роющей активности олигохет на механические свойства грунта. Сборник трудов ШИП, 1590 г.

7. V. F. Brekhovskikh,G. Н. Vishevakaya, V. К. Debolsky.N. S. Zolotareva. Erozion of ochesive bottom sediitants: The influence of benthos. Journal of hydraulic research. Vol. 2S, N 2, 1991,p. 149-160,

8. E Ф. Бреховеких, Г. E Еишневская, E. И. Козлова. Экспериментальное определение скорости потребления кислорода донными отложениями в присутствии организмов макробентоса. Сдано в печать,"Бодные ресурсы",19S2 г. 0. Б. Ф. Бреховеких, Р. Е Еланевская. Особенности массопереноса на границе вода-донные отложения в присутствии организмов макробентоса (об-?ср). Сдано г печать/'Ьодные ресурсы",1SS2 г.