КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ^^^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 574.58.001.573+519.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ БИОТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА, ФОСФОРА И ДИНАМИКИ РАСТВОРЕННОГО В ВОДЕ КИСЛОРОДА В ЭКОСИСТЕМЕ НЕВСКОЙ ГУБЫ ФИНСКОГО ЗАЛИВА. 1. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ1
© 2013 г. К. А. Подгорный*, А. В. Леонов**
*Институт биологии внутренних вод РАН 152742 пос. Борок Некоузскийр-она Ярославской обл.
Е-шаП: kap@ibiw.yaroslavl.ru **Институт океанологии РАН 117997Москва, Нахимовский проспект, 36 Е-шаП: leonov@ocean.ru Поступила в редакцию 21.06.2011 г.
Рассмотрена пространственно-неоднородная имитационная модель экосистемы Невской губы Финского зал., дана характеристика ее основных блоков и применяемых численных методов. Сформулированы основные положения, которые использованы при разработке биогидрохимического блока математической модели для адекватного описания процессов совместной трансформации форм N и Р — важнейших для экосистемы Невской губы биогенных элементов, а также режима изменения концентраций растворенного 02 в водной среде. Показано, каким образом в имитационной модели формализованы важнейшие регуляторные механизмы, которые обеспечивают структурную и функциональную устойчивость экосистемы. При разработке модели открытой водной системы ставилась задача необходимости совместного моделирования динамики компонентов биологической системы и среды ее функционирования на основе синтеза гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических знаний об экосистеме Невской губы.
Ключевые слова: экосистема, биогенные элементы, гетеротрофный бактериопланктон, фитопланктон, зоопланктон, детрит, трофическая цепь, математическое моделирование, экологическая имитационная модель Невской губы (Финский зал.)
Б01: 10.7868/80321059613020065
Невская губа Финского зал. — сложная водная экосистема (и для проведения натурных экологических исследований, и для разработки математических моделей). Своеобразие Невской губы обусловлено рядом причин: на формирование ее водной массы оказывает значительное влияние Ладожское оз., воды которого со стоком р. Невы поступают в Невскую губу в объеме ~2400—2500 м3/с [6, 8, 9, 15, 16, 26, 28—32]; кратность годового водообмена за счет притока речных вод равна 66, что обеспечивает обновление воды в ней в среднем за 5—6 сут, а в центральной транзитной зоне —
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(проект 09-05-13510-офи_ц).
почти вдвое быстрее [6—9]. Невская губа — мелководная акватория с преобладающими глубинами 3—5 м, интенсивным ветровым перемешиванием водных масс, разнообразными внутриводоемны-ми процессами биогидрохимической трансформации биогенных веществ (БВ) [6, 8, 9, 30]; она находится под сильным влиянием Балтийского моря, что сказывается на изменении солености и температуры воды (Т), колебаниях ее уровня и преобразованиях структуры биологических сообществ; ее отличает высокая техногенная нагрузка на окружающую среду [1, 6—9, 15—17, 24, 26, 28—30, 32, 34], а на ее экосистему оказывает влияние стро-
179
5*
ящийся комплекс водозащитных сооружений (КЗС) г. Санкт-Петербурга от наводнений [7, 10, 18].
Вследствие совместного действия перечисленных и ряда других биотических и абиотических факторов, значимость которых может существенно меняться во времени, Невской губе свойственна чрезвычайно высокая пространственно-временная изменчивость качества воды. Тем не менее можно говорить о вполне определенной иерархии основных процессов, формирующих неоднородное распределение всех компонентов ее экосистемы. Так, сток р. Невы задает основной общий вклад в водную, биогенную и техногенную нагрузку на водную экосистему в разные периоды времени. Далее в зависимости от текущей гидрометеорологической ситуации в Невской губе формируется определенная структура течений с наличием характерных гидрологических зон, разнонаправленных и разномасштабных вихревых образований, а также условия турбулентного обмена, которые обеспечивают перенос тепла, химических и биотических компонентов экосистемы, формируют неравномерное их распределение и перераспределение по всей акватории. Внутри этих зон создаются локальные условия (температурные, световые и другие), которые вносят свой вклад в формирование скоростей биогидрохимических процессов и влияют на направленность трансформации БВ и развитие биомасс гидробионтов.
Для многих важных показателей качества воды Невской губы очень непросто выявить характер их временной динамики и установить те или иные статистически значимые и устойчивые закономерности. Это можно сделать только лишь при системном рассмотрении комплекса химических, физических и биологических процессов. Однако существующая на данный момент временная дискретность при проведении гидрологических, гидрохимических и особенно гидробиологических мониторинговых наблюдений и перечень измеряемых при этом характеристик водной среды совершенно недостаточны ни для всесторонней оценки состояния экосистемы Невской губы, ни для определения тенденций ее изменения в будущем, ни для разработки системы моделей для описания комплекса процессов в экосистеме Финского зал. в целом. Однако при использовании модельных численных экспериментов можно ответить на ряд вопросов (в том числе и методических), которые требуют проведения широких натурных наблюдений и лабораторных экспериментов.
К настоящему времени уже имеется определенный опыт разработки математических моделей различного типа и назначения, создания интегрированной системы поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области [2, 3, 5, 8, 14, 16, 19, 22, 25, 27, 32-38]. Тем не менее пока еще преждевременно говорить о создании полноценной модели экосистемы Невской губы, способной служить инструментом для изучения ряда практических экологических задач.
Цель данной работы — предложить на основе всестороннего системного анализа данных наблюдений и сведений об источниках БВ структуру имитационной пространственно-неоднородной модели экосистемы Невской губы, затем путем численных экспериментов исследовать наиболее важные закономерности трансформации и круговорота соединений N Р и динамики растворенного в воде 02, оценить адекватность этой модели, а также рассчитать продукционный потенциал экосистемы Невской губы.
ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ МОДЕЛИ И ПРИМЕНЯЕМЫХ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ
Структура модели формировалась так, чтобы можно было использовать данные стандартных многолетних мониторинговых наблюдений, которые регулярно проводятся на постоянной сетке станций в пределах акватории Невской губы. Эти данные используются также для подбора параметров имитационной модели и проверки адекватности модельных экспериментов. В имитационной модели экосистемы Невской губы выделено, разработано и программно реализовано несколько основных блоков [20, 21, 23].
Гидродинамический блок используется для расчета нестационарной, пространственно неоднородной и осредненной по вертикали структуры течений. Воды Невской губы почти всегда перемешаны до дна, в ней отсутствует выраженный термоклин и имеет место относительная вертикальная однородность (однослойная структура) течений. Поэтому при моделировании пространственно-временной структуры течений использовано приближение теории "мелкой воды". Значения средних по глубине составляющих скорости течения определяются в результате численного интегрирования системы уравнений Сен-Венана (без учета турбулентного перемешивания). Для получения численного решения использовалась
С-сетка Аракавы и неявная, разнесенная по пространству и времени разностная схема с применением метода переменных направлений [4, 21, 23, 37]. Вычисления полей течений в модели проводились на равномерной прямоугольной сетке (с размером шага 500 х 500 м). Временно й шаг при численном интегрировании разностных уравнений для обеспечения устойчивости вычислений был выбран равным 30 с. Общее число узлов расчетной сетки —53 х 36.
Поля течений вычислялись для свободного ото льда периода — от даты очищения Невской губы ото льда до 31 октября. Скорость и направление ветра задавались по данным срочных метеонаблюдений (осреднены за сутки), и они в каждой точке сеточной области для конкретного момента времени были приняты одинаковыми.
Гидротермический блок необходим для расчета фотопериода, составляющих теплового баланса и температурного режима водоема. Для моделирования пространственно-временной динамики полей средней по вертикали Тк используется уравнение теплопроводности [21, 24]. Из этого уравнения следует, что эволюция поля Тк водоема определяется адвективным переносом тепла, турбулентной диффузией, а также процессами теплообмена между водоемом, атмосферой и деятельным слоем донных отложений. При построении численной схемы на всей твердой границе, в створах вытекающих рек и на открытой границе при направлении движения воды за пределы расчетной области в качестве граничного задавалось условие равенства нулю производной по направлению внешней нормали к границе водоема. На открытой границе при направлении движения воды внутрь расчетной области ставилось первое краевое условие. В створах втекающих рек задавалось значение Тк втекающей реки в данный момент времени.
Задача моделирования термического режима Невской губы решается в два основных этапа. Сначала на заданном шаге по времени т проводится численное интегрирование системы уравнений гидродинамики (для "мелкой воды"). В результате этого определяются значения средних по глубине составляющих скорости течения. Затем на том же временном интервале интегрируется уравнение теплопроводности. При этом применяются схемы "расщепления" по физическим процессам и пространственным координатам [21]. В результате решения этой задачи находят пространственное распределение средней по вер-
тикали Тк в пределах расчетной области к концу заданного шага по времени. Схемы численного интегрирования указанных выше уравнений, методика расчета фотопериода, тепловых потоков на поверхности водоема при различных условиях стратификации приводного слоя воздуха и варианты расч
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.