Трансформация соединений фосфора в пресноводных экосистемах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.07, кандидат географических наук Булдовская, Ольга Рафаиловна

• Булдовская, Ольга Рафаиловна
• кандидат географических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Булдовская, Ольга Рафаиловна, 1998 год

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