Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования

Устьевые области рек приливных морей относятся к водным объектам с наиболее сложными гидролого-гидрохимическими условиями. Здесь пространственно-временная изменчивость многих гидрохимических показателей может на 1−2 порядка превышать их колебания в чисто речных или чисто морских водах. Подобная ситуация, в основном, связана с воздействием приливных явлений на фронтальные разделы между водами различного генезиса, в частности, между пресными и солеными водами. С другой стороны, устья рек обычно служат местами концентрации населения, промышленных, гидротехнических и сельскохозяйственных объектов, а также зонами интенсивного использования водных, биологических и рекреационных ресурсов Все это обуславливает значительную сложность процессов формирования качества устьевых вод, что, в свою очередь, вызывает большие затруднения при оценке их состояния для решения задач оптимизации хозяйственного использования и сохранения экологической безопасности.

К сожалению, следует констатировать отсутствие в нашей стране научно обоснованной методической базы, позволяющей получать эффективные результаты при проведении различного рода теоретических и прикладных расчетов режимных, прогнозных и других гидрохимических I характеристик рассматриваемых водных объектов Это во многом обусловлено отсутствием серьезных исследований воздействия приливных явлений на гидрохимические процессы Имеющиеся методики для зон смешения речных и морских вод, в силу исторических особенностей развития России (СССР), были адаптированы главным образом к условиям неприливных морей (Балтийского, Черного, Азовского, Каспийского). Их применение для приливных устьев рек часто дает некорректные результаты. Это во многом обусловлено принципиальными различиями в масштабах пространственно временной изменчивости природных условий приливных и неприливных морей За рубежом, особенно в странах.

Западной Европы, США, Австралии и Японии данной проблеме уделяется большое внимание, учитывая значительную урбанизированность их морских побережий. Но при этом используемые методы численных оценок в основном базируются на гидродинамических моделях, разработанных в 60−70-е годы двадцатого столетия и осовремененных за счет применения компьютерных технологий. Следует также отметить отсутствие для решения ряда экологических задач каких-либо методических приемов, учитывающих специфику приливных явлений.

В последнее время резко повысились возможности проведения детальных натурных исследований поверхностных вод за счет использования автоматизированных систем и портативного измерительного оборудования. Это, в свою очередь, открывает широкие перспективы для разработки и практической реализации разнообразных эмпирических моделей на основе статистического анализа натурных данных. Но для решения различных задач в рамках рассматриваемой проблемы необходимо осуществить выбор наиболее оптимальных расчетных алгоритмов, учитывающих особенности гидрохимического режима приливных устьев рек.

Интенсификация освоения в последние годы северных и дальневосточных морей Российской Федерации, где наблюдаются приливы, требует значительного увеличения объема информации об их природных условиях и реакции водных экосистем на техногенное воздействие. Особенно остро данный вопрос стоит для устьев рек Белого и Баренцева морей в связи с широкомасштабным развитием в Баренц-регионе хозяйственной деятельности по разведке, добыче, переработке углеводородного сырья, полиметаллических руд, алмазов, с повышением объемов производства в лесной и лесохимической промышленности и формированием новых транспортных коммуникаций. Все это влечет за собой значительное увеличение использования водных ресурсов приливных устьев рек и порождает различные негативные эффекты для их экосистем. Для решения проблемы охраны и рационального использования устьевых вод крайне необходимо особое внимание уделить методическим аспектам расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик, учитывающих специфику их природных условий.

Диссертационная работа направлена на решение данной проблемы, и ее целью являются исследования особенностей гидрохимических процессов в устьях рек приливных морей, а также разработка методов расчета и прогнозирования параметров химического состава вод подобных водных объектов, в том числе ориентированных на решение водохозяйственных и экологических проблем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить специфику формирования химического состава вод разнотипных приливных устьев рек под влиянием различных факторов, включая антропогенное воздействие;

• провести анализ существующих методов расчета и прогнозирования гидрохимических характеристик устьевых зон;

• подготовить научно-методическое обоснование гидрохимического прогнозирования с учетом специфики рассматриваемых водных объектов и практического использования прогнозной информации,.

• провести модификацию существующих методов и разработать новые подходы для численной оценки химического состава вод устьев рек приливных морей;

• предложить модели (расчетные схемы) для конкретных видов водопользования, хозяйственной и иной деятельности в приливных устьях рек и алгоритмы их практической реализации;

• дать научно-методическое обоснование гидрохимического мониторинга состояния вод устьев рек приливных морей.

Для их решения привлекались результаты полевых наблюдений, проведенных автором в устьях больших, средних и малых рек Белого и.

Баренцева морей, в период его работы в Северном УГМС, ИБП РАН и Северном отделении ПИНРО в 1981; 2002 годах, информация, полученная при экспериментировании с различными расчетными методами и математическими моделями, а также анализ публикаций по рассматриваемой теме.

В диссертационной работе на защиту выносятся следующие положения:

• закономерности процессов формирования химического состава вод в устьях рек приливных морей во взаимодействии с определяющими их факторами на примере Белого и Баренцева морей;

• методология определения режимных гидрохимических характеристик, учитывающая специфику устьев рек приливных морей;

• научно-методическое обоснование методов прогнозирования гидрохимических показателей, адаптированных для приливных устьев рек;

• методы решения конкретных прикладных задач для разнотипных устьевых областей рек приливного моря, связанных с необходимостью оценки химического состава устьевых вод;

• научно-методическое обоснование мониторинга качества поверхностных вод в устьях рек приливных морей и рекомендации конкретных схем его проведения.

Впервые выполнен анализ особенностей формирования химического состава вод устьев рек приливных морей на основе изучения влияния приливных эффектов. Показано наличие полипериодичности в изменчивости гидрохимических характеристик и ее связь с природными и техногенными факторами. Выявлено наличие доминирующих колебаний в различных масштабах изменений (приливных, синоптических, сезонных) исследуемых параметров. Определена специфика гидрохимических режимов устьев рек с различной величиной прилива Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными изменениями уровня воды.

Предложены методы для расчета режимных и фоновых гидрохимических характеристик приливных эстуариев. Их принципиальная новизна состоит в применении робастных подходов и учете приливной изменчивости исследуемых показателей.

Исходя из специфики гидрохимических прогнозов в приливных устьях рек, предложена их новая классификация с учетом подходов, применяемых при составлении морских гидрологических и речных гидрохимических прогнозов. Показана возможность проведения прогнозных расчетов с использованием различных методов, которые в общем случае можно свести к одномерной регрессионной модели. Разработан новый вид одномерной регрессионной модели на основе интервальных медиан, позволяющей проводить расчеты при любом распределении регрессионных остатков, что, в частности, не позволяет классический метод наименьших квадратов. К новому направлению можно отнести предложение применять регрессионные модели, учитывающие связь гидрохимических параметров с приливными колебаниями уровня воды. Их целесообразно применять для прогнозирования с применением навигационного пособия Таблицы приливов, в которых дается предсказание величины прилива на год вперед.

Разработан новый подход к определению коэффициента дисперсии для одномерных моделей переноса примеси в приливном водотоке.

Впервые предложены эмпирический метод разработки нормативов ПДС и мониторинговый метод оценки техногенного влияния гидротехнических сооружений, учитывающие особенности гидрохимических процессов в приливных устьях рек. Даны новые рекомендации по проведению проектных изысканий в подобных водных объектах. Предложены новые научно-методические принципы организации мониторинга качества устьевых вод, принимающие во внимание наличие приливных явлений.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе дается классификация устьев рек и приливных явлений, рассматривается механизм смешения речных и морских вод при различных величинах прилива с учетом геоморфологических особенностей устьевых водотоков и водоемов. Во второй главе раскрывается специфика формирования гидрохимического режима приливных устьев рек, в третьей главе приведен краткий обзор состояния исследований гидрохимии устьев рек приливных морей. Четвертая глава посвящена научно-методическому обоснованию процедур расчета режимных и прогнозных гидрохимических характеристик в приложении к приливных устьям рек. В пятой главе предлагаются наиболее оптимальные подходы для решения прикладных задач, связанных с использованием устьевых водных ресурсов, и в шестой главе дается научно-методическое обоснование организации мониторинга химического состава вод рассматриваемых водных объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена решению очень сложной комплексной проблемы, охватывающей широкий круг вопросов из различных областей науки — гидрохимии, водохозяйственных исследований, гидрологии суши, океанологии, гидродинамики и прикладной математики. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Показано, что приливные явления генерируют специфические эффекты в гидрохимическом режиме устьевых вод, в том числе, не отмечающиеся на других водных объектах. Это, в первую очередь, связано с соответствующей периодичностью колебаний уровня воды, скоростей и направлений течений, литодинамических процессов, деформацией ледового покрова, изменений водных объемов и наличием приливных осушек.

2. Установлено, что для гидрохимических характеристик приливных устьев рек, как показали исследования на Белом и Баренцевом морях, типична большая пространственно-временная изменчивость, особенно на участках локализации фронтальных разделов между речными и морскими водами. Их колебания во времени имеют сложный спектр, обусловленный наложением разнопериодных циклов природного происхождения при преимущественном доминировании основных приливных гармоник в рамках определенного сезона. Амплитуда подобных колебаний может на порядок превышать их аналогичные изменения в чисто речных и морских водах.

3. Показано, что техногенное воздействие может усиливать или ослаблять приливную изменчивость параметров химического состава устьевых вод в зависимости от расположения его источника по отношению к фронтальной зоне между речными и морскими водами.

4. Впервые установлен эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными колебаниями уровня воды в устьях рек при наличии их пространственного градиента.

5. Для оценки режимных (фоновых) гидрохимических параметров в приливных устьях рек, учитывая преобладание коротких временных рядов, целесообразно использовать такие робастные оценки, как медиану и трехсреднее значение в качестве оценки центра положения, и интерквартильный размах в качестве оценки масштаба изменчивости При этом концентрации, соответствующие моментам малой и полной вод приливного цикла, можно в первом приближении оценивать по диапазонам значений, заключенных между квартилями и экстремальными значениями.

6. Для гидрохимических прогнозов в условиях устьев рек предлагается классификация и методология, базирующаяся на принципах составления морских гидрологических прогнозов при учете опыта прогнозирования качества речных вод и специфики практического использования гидрохимической информации.

7. При гидрохимическом прогнозировании наиболее предпочтительно использовать физико-статистические методы и методы моделей временного ряда. Наиболее удачные прогнозы получаются для показателей имеющих большие различия в концентрациях для речных (иногда сточных) и морских вод, и высокую точность аналитического определения. В условиях Белого и Баренцева морей к ним, в частности, относятся соленость (минерализация), главные ионы, кислородонасыщение, величина рН и кремний.

8. Показано, что для расчета режимных и прогнозных характеристик в приложении к гидрохимии приливных устьев рек наиболее подходит одномерное линейное регрессионное уравнение, учитывающее возможную погрешность расчетов и допускающее различные версии робастного подхода. В форму такого уравнения можно свести упрощенные варианты уравнений адвективно-диффузионного переноса примеси и баланса вещества. Регрессионный подход также позволяет получать прогнозные оценки экстремальных концентраций приливного генезиса с помощью данных по уровням воды, помещенным в навигационном пособии Таблицы приливов.

9. Установлено, что для отдельных устьевых объектов при отсутствии гидрохимических наблюдений успешным может быть использование моделей адвективно-диффузионного переноса примеси или балансовых моделей. Для оценки последствий аварийного сброса загрязняющих веществ рекомендуется эмпирический подход, базирующийся на наблюдениях за распределением маркеров в конкретных приливных ситуациях.

10.Разработанные подходы позволяют эффективно решать ряд прикладных водохозяйственных и экологических задач для приливных устьев рек, в частности, при выборе оптимального местоположения водозабора, разработке нормативов ПДС, оценке техногенного воздействия и при определении характера перераспределения промысловых гидробионтов.

11. Мониторинг состояния качества вод устьев рек приливного моря необходимо проводить с обязательным учетом наличия короткопериодной изменчивости гидрохимических показателей и приливных течений. Его программу рекомендуется адаптировать под решение как можно более широкого спектра практических задач, включая разработку прогнозных моделей.

Полученные результаты, указывают на необходимость уделять больше внимания изучению короткопериодных приливных колебаний гидрохимических характеристик в устьевых объектах различного типа. Особенно это касается поведения высокотоксичных веществ и соединений, специфических для водоемких производств, в зоне биогеохимического эстуарного барьера К сожалению, высокая стоимость их анализов ориентирует многих исследователей на максимальное снижение количества подобных наблюдений при стремлении изучать только сезонные явления, что, в конечном счете, сильно снижает прикладную информативность получаемых результатов. Для решения данной проблемы рекомендуется опираться на адаптацию схем натурных наблюдений к конкретным математическим моделям, что в большинстве случаев резко повышает их эффективность.