МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ФИТОПЛАНКТОНА, РЕЖИМА РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА И ФОСФОРА В ВОДОХРАНИЛИЩАХ

Даценко Ю.С. Московский государственный университет

На современном этапе изучения водных экосистем наиболее эффективными

методами исследования процессов формирования гидрологической, гидрохимической и гидробиологической структуры водоемов становятся методы математического моделирования и вычислительный эксперимент. Математические модели предназначены для описания и изучения сложных многопараметрических и нелинейных процессов, экспериментальное изучение которых затруднено или невозможно.

В настоящем докладе приводятся результаты диагностических расчетов экологически значимых веществ по боксовой гидрологической модели водохранилища (ГМВ–МГУ), разработанной на кафедре гидрологии суши МГУ В.В. Пуклаковым. Алгоритм ГМВ–МГУ состоит из двух взаимосвязанных блоков – тепломассообмена (ТМО) и трансформации экологически значимых веществ (ТЭВ), каждый из которых включает комплекс соответствующих расчётных подпрограмм. К экологически значимым веществам относятся следующие моделируемые переменные: биомасса трех групп фитопланктона, концентрации стойкого и лабильного органического вещества, концентрации биогенных элементов (минеральные и органические формы азота и фосфора, растворенный кислород.

Расчет этих химических и биологических переменных производится по уравнениям баланса массы в соответствии с концептуальными схемами взаимосвязей этих переменных в водной экосистеме. Изменения переменных в каждом боксе отсека воспроизводятся в модели после просчета их потоков в блоке ТМО по специальным подпрограммам, содержащим принятую в лимнологии параметризацию процессов, трансформирующих неконсервативные вещества.

Расчеты по модели проведены для Можайского водохранилища за семилетний (1996-2002) период. Анализ факторов развития фитопланктона, проведенный по результатам расчетов показал, что доминирующее влияние на интенсивность цветения водоема в большинстве случаев оказывала концентрации минерального фосфора в водоеме, поле которого формируется в результате внешней нагрузки и комплекса внутриводоемных процессов, описываемых гидрологической частью модели. Во все расчетные годы получено бимодальное развитие фитопланктона – типичное для водоемов умеренных широт. Однако колебания биомассы водорослей в различные годы оказались весьма значительными. Различалась и длительность цветения обеих групп: диатомовых водорослей – от 2 недель в 1997 и 1998 гг. и до 6 недель в 2000 г., а период цветения синезеленых во все годы наблюдений и расчетов продолжался с конца июня до начала сентября. Распределение биомассы фитопланктона в водохранилище характеризуется крайней неравномерностью и пятнистостью, которую невозможно выявить при существующем мониторинге. Для синезеленых водорослей различия в биомассе достигают нередко 5 мг/л. Они обусловлены неравномерностью полей биогенных веществ и динамическими явлениями переноса биомассы.

Особое внимание при моделировании уделено пространственно-временным изменениям концентраций растворенного кислорода. В Можайском водохранилище, близким по уровню трофического состояния к эвтрофным водоемам, в периоды летней термической стратификации возникновение зон аноксии в придонных слоях явление обычное. Как показали расчеты гидродинамические факторы пространственно-временных изменений растворенного кислорода в воде водохранилища – физический перенос и перемешивание – достаточно хорошо описываются кавзидвумерной продольно-вертикальной моделью тепло-массообмена.

Для проверки соответствия результатов расчета распределения кислорода результатам натурных наблюдений в Можайском водохранилище проведена серия расчетов с использованием кислородного блока модели для 1984 года, когда на водохранилище проводились детальные и регулярные гидрохимические съемки. Результаты расчета вертикального распределения кислорода в 8 отсеках водохранилища с дискретностью 1 м глубины выдавались ежедекадно. Анализ модельных имитаций концентраций кислорода в водохранилище, верифицированные по данным гидрохимических съемок, показали, что с их помощью можно удовлетворительно описывать вертикальное распределение кислорода в различных частях водохранилища. Значения критерия Тила для оценки адекватности моделирования колебались в пределах 0.2-0.4.

Таким образом, модельные диагностические расчеты гидрологического режима и изменения экологического состояния водохранилищ водных объектов служат эффективным методом восполнения знаний о развитии внутриводоемных процессов, подверженных сильной синоптический изменчивости, а в регулируемых гидроузлами участках гидрографической сети (водохранилищах и руслах ниже плотин) еще и режимом пусков воды.