КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ^^^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 550.47:556.54
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В РАЗНЫХ РАЙОНАХ БЕЛОГО МОРЯ1
© 2013 г. А. В. Леонов, О. В. Чичерина
Институт океанологии РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: leonov@ocean.ru Поступила в редакцию 28.11.2010 г.
Проведен анализ имеющихся наблюдений за изменениями концентраций нефтяных углеводородов в притоках Белого моря и его отдельных районах, и оценена роль отдельных внешних источников в загрязнении морской среды. На основе расчетов определено возможное суммарное поступление углеводородов из дополнительных потенциальных источников — внутренних природных (продукция микроорганизмами) и внешних антропогенных (судоходство и морские перевозки), наиболее активных летом—осенью. Гидроэкологическая CNPSi-модель использована для воспроизведения процессов загрязнения девяти выделенных районов Белого моря нефтяными углеводородами и их последующей биодеградации в морской среде. Для расчетов внутригодовой динамики концентраций углеводородов использованы среднемноголетние наблюдения за ежемесячными изменениями температуры, освещенности, прозрачности воды, данные по морфометрии районов моря (площади, средние глубины, объемы воды), а также по водообмену между выделенными районами (вычислены на гидродинамической модели). Для крупных заливов (Двинский, Кандалакшский) показано соответствие расчетных концентраций нефтяных углеводородов имеющимся оценкам (средние и максимальные концентрации). Охарактеризованы изменения в течение года концентраций нефтяных углеводородов, биомасс, показателей окислительной активности и биопродукции нефтеокис-ляющих бактерий. По расчетным внутренним потокам нефтяных углеводородов (поступления из разных источников, перенос по горизонтали, биотрансформация) составлены их годовые балансы для отдельных районов и моря в целом, свидетельствующие о сбалансированности их потоков и общей невязки баланса для отдельных районов в пределах 0.3—4.1%.
Ключевые слова: моделирование внутригодовой динамики концентраций НУ по девяти взаимосвязанным районам Белого моря, активность НУ-окисляющих бактерий (удельная скорость роста, потребление НУ и О2, биопродукция), модули нагрузки районов моря по НУ, балансы НУ для отдельных районов и всего моря.
Б01: 10.7868/80321059613010069
Наблюдения за состоянием загрязнения морских водоемов проводит преимущественно Гид-рометслужба, представляя в специальных сборниках полученные данные в виде "средних" и "максимальных" концентраций загрязняющих веществ (ЗВ), включая содержание нефти и нефтепродуктов, или нефтяных углеводородов (далее для краткости все обозначены НУ), в отдельных акваториях морей России.
Следует отметить некоторую условность представляемых в этих ежегодниках средних и максимальных концентраций ЗВ для морских акваторий. Как правило, количество выполняемых съе-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 08-05-00094, 09-05-13510-офи_ц).
мок по отдельным акваториям морей России в последние годы составляет ~2—4 за год. Сроки наблюдений за состоянием акваторий морей, проводимые более 40 лет, достаточно случайны (как правило, они меняются год от года). При необходимом и осуществляемом совершенствовании методов определения концентраций ЗВ выполненные ранее наблюдения по точности становятся несопоставимыми с новыми и, следовательно, непригодными для дальнейшего применения. Оцениваемые по малому количеству съемок (и самих определений) средние и максимальные концентрации отдельных ингредиентов в морской воде по сути таковыми являются только для данной серии наблюдений, но не для изучаемого водного объекта по ряду причин. Во-первых, нет
ясности в том, какие периоды времени они характеризуют. Во-вторых, эти наблюдения абсолютно случайны по срокам и количеству. В-третьих, с первых лет наблюдений они дают лишь ориентировочное представление о порядках концентраций ЗВ в морских водах. Поэтому представляемая в ежегодниках качества морских вод информация не может претендовать на более широкое использование в научных целях. Несмотря на многие годы выполнения исследований, по этим данным нельзя оценить важнейшую характеристику химических показателей — их сезонную динамику, и поэтому нельзя полноценно использовать эти накопленные данные для изучения в естественных условиях особенностей трансформации и динамики ЗВ в морских экосистемах.
Ценность этих наблюдений, информации по качеству морских вод и состоянию морских акваторий была бы выше, если бы в указанных сборниках приводились все первичные данные о выполняемых наблюдениях, в частности о времени наблюдений (год, месяц, день, время суток), колебаниях концентраций ЗВ в отдельных съемках на разных участках изучаемых морей и другие полезные сведения (например, о подразделении НУ на классы углеводородов (УВ)). Тогда было бы возможно выполнять анализ и проводить обобщение имеющейся накопленной информации в зависимости от ставящихся конкретных задач исследований. Аналитическое определение концентраций НУ (как правило, на основе ИК-метода) подразумевает оценку суммарного содержания растворимых (в гексане или четыреххло-ристом углероде) неполярных и малополярных УВ сырой нефти и продуктов ее переработки — алифатических УВ (АУВ) и полициклических ароматических УВ (ПАУ), на которые приходится в сумме 70-90% НУ [17, 19].
Имеющиеся в ежегодниках качества морских вод данные наблюдений за изменением концентраций НУ по Белому морю и его притокам были частично обобщены и включены в обзор [30]. Отмечен разброс значений оцененных концентраций НУ в морской среде, в целом усугубляемый разнообразием применяемых методов отбора проб, их первичной обработки, использованием многочисленных схем экстракции УВ с широким набором органических растворителей [34]. Сопоставление разных методов [17] показывает, что данные наиболее часто применяемых на практике методов ИК-спектрофотометрии и флуоресцентного анализа могут отличаться в >100 раз из-за различий в селективности этих методов.
Для вод Белого моря, в частности крупных его заливов (Кандалакшский, Онежский, Двинский и Мезенский), НУ признаны важнейшими среди других ЗВ [28]. Состав нефтяных УВ в различных морских объектах Белого моря формируется из разных источников — аллохтонных (включают НУ антропогенного происхождения, поступают с суши в морскую среду с разным загрязнением) и автохтонных (природных биогенных, которые синтезируются в море). Среди аллохтонных источников, которые обеспечивают загрязнение по НУ водной среды арктических морей, в частности Белого моря, выделены три основных [25, 27, 31]
— речной сток, в котором аккумулированы запасы НУ при их выносах с разных обширных водосборных территорий;
— сбрасываемые непосредственно в морскую среду разнообразные сточные воды (промышленные, городские, судовые, стоки портовых сооружений, терминалов, поселков и др.);
— атмосферный перенос и выпадение из аэрозолей на морскую поверхность НУ (в форме АУВ и ПАУ) в районах, где происходит накопление продуктов неполного сгорания сырья, содержащего УВ (НУ, уголь и другие виды ископаемого топлива).
Относительный вклад этих аллохтонных источников и суммарное поступление НУ в воды арктических морей и на их акватории, в частности в Белое море, различается [34]. Однако ошибочно связывать аномалии наблюдаемых концентраций нефтяных УВ, как это неоднократно отмечалось для Белого моря, только с антропогенным воздействием и использовать для этого термин НУ [33]. В компонентах среды (вода, снег, лед, биота) Белого моря содержание НУ, состав и распределение УВ значительно различались в зависимости от района моря [22]. Влияние антропогенных УВ локально и установлено, в основном, в устьевых зонах рек, в верховьях заливов, в районах портов и судоходных трасс. На остальных акваториях моря во всех исследованных объектах доминируют природные соединения, так как антропогенные УВ задерживаются на границе река—море [17, 20, 32]. Автохтонные биогенные (или смешанные нефте-автохтонные) вещества обнаруживаются в прибрежных зонах, так как нефтяные УВ способствуют интенсификации биогенных процессов [32].
В современных условиях особенно актуальны такие исследования загрязнения по НУ арктических морей России (включая Белое море), которые связаны с оценками изменения региональных их концентраций и потоков в морской среде, а также в целом с возможностью составления ба-
мг НУ/л
0.04
(а)
0.02 -
0
мг С/л 0.06
0.04
0.02
0Ь
0.02
0.01
(в)
0.03 -
0.02 -
0.01 -
72
144
216
288 г, сут
72
144
216
288 г, сут
Рис. 1. Внутригодовая динамика расчетных концентраций НУ (а, б) и биомасс бактерий В2 (в, г) в поверхностном слое в районах 1-9 Белого моря с учетом поступления НУ с речным стоком и со сточными водами. Здесь и на рис. 2 и 3: а, в — данные для заливов (1 — мелководная часть Кандалакшского зал., 2 — Онежский, 3 — Двинский, 4 — Мезенский заливы, 9 — губа Чупа); б, г — для районов открытой части моря (5 — район Соловецких о-вов, 6 — Бассейн вместе с глубинной частью Кандалакшского зал., 7 — Горло, 8 — Воронка).
0
0
0
ланса НУ для моря и его отдельных акваторий. Для Арктического бассейна и его отдельных морей до сих пор остаются фактически не исследованными указанные проблемы распределения и перераспределения НУ (между сушей и морем) и их выноса в море с речными водами [34]. Исследованию указанных проблем для Белого моря было уделено основное внимание в данной работе, выполненной с помощью СМР81-модели на основе принципов системного анализа и математического моделирования [6].
ЗАДАННОЕ В РАСЧЕТАХ НА МОДЕЛИ
ПОСТУПЛЕНИЕ НУ В ВОДЫ РАЗНЫХ РАЙОНОВ БЕЛОГО МОРЯ
Расчеты на модели динамики концентраций НУ и биомасс НУ-окисляющих бактерий В2 про-
ведены для районов 1-9 Белого моря (рис. 1 в [11, 30]: 1—4 — заливы Кандалакшский, Онежский, Двинский, Мезенский; 5—8 — открытые участки моря — район Соловецких о-вов, глубоководная часть моря — Бассейн вместе с глубинной частью Кандалакшского зал. (далее для краткости глубоководный Бассейн вместе с глубинной частью Кандалакшского зал. называет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.