CC BY
30
УДК 504.4.054
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНАЛОГИЙ В ПРЕДСКАЗАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ВОДЫ В ОБЪЕКТАХ БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ОБИ
А.А. Цхай1-2
1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: tskhai@iwep.ru 2 Алтайский государственный университет, Барнаул
Рассмотрена проблема использования математических оценок и моделей для рек и водохранилищ при экстраполяции данных. На примере водных объектов бассейна Верхней Оби сформулированы и апробированы способы предсказания экологических характеристик. Выделена антропогенная составляющая гидрохимического стока реки Обь в створе ниже г. Барнаул. Выбор аналога стал важнейшим элементом предсказания состояния экосистемы водохранилища на этапе проектирования.
Ключевые слова: мониторинг, бассейн Верхней Оби, водохранилище, качество воды.
DOI 10.24411/2410-1192-2019-15409 Дата поступления 4.09.2019
В последнее время прогностические модели [1] становятся рабочим инструментом в задачах экологии [2] и водопользования [3]. Однако продвижение в этом направлении часто затруднено из-за отсутствия ясных аргументов, которые свидетельствуют об эффективности использования математических оценок и моделей за пределами круга данных, использованных для их верификации [4]. Вопросам типизации объектов традиционно уделяется существенное внимание при решении задач охраны и использования водных ресурсов [5], в т.ч. для бассейна Верхней Оби [6-8]. Типизация, сравнение на предмет подобия предваряют процедуру выбора водного объекта-аналога [9]. Особую актуальность эти вопросы приобрели с развитием методов имитационного моделирования и прогнозирования состояния водно-экологических систем на этой основе [10-11].
В работе на конкретных примерах рассмотрены приемы использования модельных соотношений, позволяющих оценить важные характеристики разнотипных водных объектов Западной Сибири. Например, в настоящее время часто поднимается вопрос о зарегулиро-
вании реки Томь между Новокузнецком и Кемерово с целью улучшения водоснабжения промышленного региона. В связи с этим проект Крапивинского водохранилища, разработанный в 1980-е гг., снова становится актуальным. Полный и мертвый объемы проектируемого Крапивинского водохранилища были бы равны, соответственно, 11,7 км3 и 2,0 км3. Его полезный объем - 9,7 км3 -составил бы 30 % от нормы стока и 42 % от стока 95 % водообеспеченности в створе гидроузла. Проектный вариант режима эксплуатации водохранилища позволил бы поддерживать расход стока в зимнюю межень на уровне 600 м3/с, что вполне удовлетворило бы современные потребности предприятий и коммунального хозяйства регионального центра г. Кемерово. Вместе с тем принятие решения о столь масштабном антропогенном вмешательстве в природные процессы требует аргументированной оценки экологических последствий [12].
Материалы и методы
Подобие водной экосистемы во времени - достаточно распространенный аргумент при оценке качества по-
верхностных вод. Характерным примером является выделение антропогенной составляющей биогенного стока А [13]. Отношение минерального растворенного кремния, слабо подверженного воздействию антропогенных факторов и влиянию водности года, к другим биогенным элементам, а также загрязняющим веществам, генетически тесно с ними связанным, используется при этом.
* = ; Л = В - * ,
С„ *
где К - эмпирический коэффициент, равный отношению многолетних средних годовых концентраций кремния и загрязняющего вещества в базовый период;
и 81 - сток кремния за базовый и расчетный периоды, т; Со - сток загрязняющего вещества за базовый период, т; В - сток загрязняющего вещества за расчетный период, включающий природную и антропогенную составляющие, т. В качестве базовых эмпирических коэффициентов для оценки изменения антропогенной составляющей используются соотношения концентраций кремния и загрязняющих веществ за начальный период.
Подобие водных экосистем в пространстве - обычно используемый аргумент при прогнозе качества вод на этапе проектирования водохранилищ [14]. Общность генезиса обеспечивается сопоставимостью основных признаков водоемов как аналогов: по инженерно-геологическим и гидрогеологическим, климатическим и географическим условиям, типу и форме объектов, параметрам водообмена и т.п. Принадлежность к общему водосборному бассейну, близость видового состава сообществ гид-робионтов в притоках способствует аналогичному протеканию химико-биологических и физико-химических процессов в рассматриваемых водных экосистемах.
В этом смысле проектируемое Кра-пивинское водохранилище является подобным Новосибирскому, расположенному также в бассейне Верхней Оби, и
может рассматриваться как его аналог. Модели обоих водохранилищ, основанные на законах сохранения вещества и энергии - не тождественны, а аналогичны по структуре. Они имеют сопоставимые характеристики скоростей биогеохимической трансформации соединений питательных веществ. Это предположение лежит в основе оценки состояния водной экосистемы проектируемого водохранилища после периода его становления.
Результаты и обсуждение
Изменение антропогенной составляющей химического стока реки Обь после Барнаула оценивалось по следующим соединениям: SO42 -, РО3-, Fe3+,
N0^, Ш3", Mg2+, а", Ca2+. Расчет водного стока и стока загрязняющих веществ производился по опубликованным данным наблюдений Росгидромета по двум створам реки Оби (1 - Камень-на-Оби, 2 - створ ниже Барнаула) по годам. Он представлен для каждого из трех периодов времени, следующих за базовым - 1955-1970 гг.: I - 1982-1985 гг., II - 1986-1990 гг., III - 1995-1998 гг., для которых выделено изменение антропогенной составляющей стока.
До проведения расчетов по данной методике была проверена гипотеза о постоянстве значения выноса кремния на водосборе, т. к. химический сток коррелирован с расходом воды. Значение коэффициента Фишера меньше, чем табличное значение для данных степеней свободы: F (95 %; 3,32) = 1,44 < 2,89 - для створа ниже г. Барнаула и F (95 %; 2,21) = 0,79 < 3,49 - для створа в г. Камень-на-Оби. Гипотеза о постоянстве среднегодового выноса кремния была принята.
Для оценки антропогенной составляющей ионного стока, в качестве «ре-перного» компонента, концентрация которого не подвержена изменениям в зависимости от антропогенной нагрузки, использован гидрокарбонатный ион НСОз- [15].
2+
Анализ временных тенденций полученных расчетных значений (табл. 1) показал, во-первых, что антропогенная составляющая гидрохимического стока для большинства химических элементов, активно участвующих в природных биогеохимических циклах, имела отрицательное значение и дальнейшую тенденцию к снижению; это связано с тем, что в базовый период на водосборе велась более активная производственная, в первую очередь сельскохозяйственная, деятельность при низкой культуре земледелия, что привело к развитию эрозионных процессов и интенсивному вымыванию биогенных веществ из почвы; во-вторых, что постоянно высокое значение антропогенной нагрузки для сравнительно химически инертного вещества Fe в створе ниже г. Барнаула объясняется или отсутствием очистных сооружений на предприятиях края, или недостаточной очисткой.
Таким образом, предположение о «реперных» компонентах стока, концентрация которых не зависит от изменения антропогенной нагрузки, использовано в исследовании, что является теоретической основой для оценки изменения антропогенной составляющей стока реки Обь для различных временных периодов.
Моделирование состояния водной экосистемы проектируемого Крапивин-ского водохранилища после периода становления было осуществлено в расчетах для среднего по водности 19851986 гидрологического года. Было реализовано три варианта (рис. 1): первый - с наблюдавшимися в расчетный период во входном створе Славино значениями гидрохимических переменных, ис-
Изменение доли антропогенной в створе наблюдения ни
пользуемых в расчетах как среднемесячные величины.
Во втором расчетном варианте для поверхностного притока использовались многолетние среднемесячные значения концентраций моделируемых переменных в реке Томь. И, наконец, третий расчетный вариант был выполнен для уменьшенного в четыре раза содержания биомасс гидробионтов в притоке по сравнению со вторым. Это было необходимо для оценки чувствительности модели [16] к возможной вариации биомасс видов планктона в притоке.
Выполненное исследование показало, что:
- проектируемое Крапивинское водохранилище после периода его становления не будет существенно отличаться по содержанию фитопланктона от Новосибирского водохранилища; средняя по объему водохранилища биомасса фитопланктона в летний период будет достигать 0,3, а в отдельные периоды -1,8 мг/л;
- содержание минеральных форм азота (аммоний, нитриты, нитраты) в водохранилище будет изменяться в течение года, в основном, в пределах ПДК, снижаясь по сравнению с входным створом практически в течение всего года;
- средняя по объему водохранилища концентрация кислорода в течение года будет изменяться в пределах 7-12 мг/л;
- содержание взвешенных форм азота и фосфора в стоке из водохранилища составит 18-26 % от концентрации на входе; основная его доля будет интенсивно оседать на дно, лишь частично возвращаясь в воду за счет вторичного загрязнения.
Tаблица 1
тавляющей химического стока г. Барнаула, тыс. т/год
Mg CI Ca SO4 РО4 Fe NO3 no2
I -83,83 -21,92 -396,96 -61,09 -1,17 47,57 -23,85 -2,16
II -143,84 -5,75 -1133,83 -270,18 -1,13 34,25 -42,44 -1,15
III -306,40 -67,66 -1049,02 -599,78 - 19,11 - -
Рис. Прогноз состояния водной экосистемы проектируемого Крапивинского водохранилища для средневодного гидрологического года
Таким образом, становится возмож- ческих оценок и моделей для разных
ной предварительная оценка экологиче- типов водных объектов бассейна Верх-
ского состояния будущего водного объ- ней Оби за пределами круга данных,
екта путем: использованных при верификации.
- построения имитационной модели Выделение антропогенной состав-циклов биогеохимической трансформа- ляющей стока реки Обь свидетельствует ции питательных веществ, лимитирую- об эффективности использования соот-щих развитие гидробионтов, для усло- ношения стока «реперных» элементов и вий проектируемого водохранилища; загрязняющих веществ в различные пе-
- принятия обоснованных упроща- риоды времени.
ющих предположений; При оценке экологических послед- использования характеристик во- ствий зарегулирования речного стока доема-аналога, рассматриваемых как схема предсказания состояния экоси-внутренние параметры модели; стемы будущего водохранилища сфор-
- проведения вариантных расчетов мулирована на основе имитационного по сценарным наборам исходной ин- моделирования, подготовки сценарных формации. наборов исходной информации и использования значений внутренних па-
Заключение и выводы J ^
раметров модели, найденных для водо-
Исследование выявило существен- ема-аналога.
ные аспекты использования математи-
Исследование выполнено в рамках государственного задания ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН» (проект № 0383-20190003) при частичной финансовой поддержке РФФИ и Алтайского края (проект № 1841-220002/19).
Список литературы
1. Dietze M.C. Ecological Forecasting. - Princeton: University Press. - 2017. - 287 p.
2. Predictive ecology in a changing world / Mouquet N. [et al] // J. Appl. Ecol. - 2015. -P. 1293-1310.
3. Bezsonnyi V., Tretyakov O., Khalmuradov B., Ponomarenko R. Examining the dynamics and modeling of oxygen regime of Chervonooskil water // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. - 2017. - V. 5. - № 10(89). - P. 32-38.
4. Better Model Transfers Require Knowledge of Mechanisms / Bouchet P.J [et al] // Trends in Ecology & Evolution. - 2019. - V. 34. - № 6. - P. 489-490.
5. Ясинский С.В., Веницианов Е.В., Вишневская И.А. Диффузное загрязнение водных объектов и оценка выноса биогенных элементов при различных сценариях землепользования на водосборе // Водные ресурсы. - 2019. - Т. 46. - № 2. - С. 232-244.
6. Безматерных Д.М. Влияние антропогенного загрязнения на структуру макрозо-обентоса реки Барнаулки (бассейн Верхней Оби) // Водные ресурсы. - 2018. - Т. 45. -№ 1. - С. 52-61.
7. Митрофанова Е.Ю. Фитопланктон Телецкого озера (Алтай. Россия): особенности развития и многолетней динамики // Экология. - 2018. - № 2. - С. 146-151.
8. Яныгина Л.В. Макрозообентос как показатель экологического состояния горных водотоков // Экология. - 2017. - № 2. - С. 141-146.
9. Outstanding Challenges in the Transferability of Ecological Models / Yates K. [et al] // Trends in Ecology & Evolution. - 2018. - V. 33. - № 10. - P. 790-802.
10.Tundisi J.G. Reservoirs: New challenges for ecosystem studies and environmental management // Water Security. - 2018. - № 4-5. - P. 1-7.
11.Tskhai A.A. Reservoir impact on water security // Hydrological Sciences and Water Security: Past, Present and Future: Proc. of the 11th Kovacs Colloquium. France, 2014 // PIAHS. - 2015. - № 366. - P. 196-197.
12.Bakker K. Water security: Research challenges and opportunities // Science. - 2012. -№ 337. - P. 914-915.
13.Максимова М.П. Критерии антропогенного евтрофирования речного стока и расчет антропогенной составляющей биогенного стока рек // Водные ресурсы. - 1979. -Т. 6. - № 1. - С. 36.
14.Цхай А.А., Агейков В.Ю. Математическое моделирование процессов трансформации соединений азота и фосфора и изменчивости кислородного режима в водохранилищах // Водные ресурсы. - 1997. - Т. 24. - № 6. - С. 718-728.
15. Максимова М.П. Воздействие техногенеза на гидросферу. Методика оценки антропогенного химического речного стока в моря // Вестн. МГУ. Серия: Естественные науки. - 2012. - № 2. - С. 89-96.
16.Цхай А.А., Леонов А.В. Прогнозирование качества воды в проектируемом водохранилище на основе модели трансформации азота и фосфора // Водные ресурсы. -1995. - Т. 22. - № 3. - С. 261-272.
References
1. Dietze M.C. Ecological Forecasting. - Princeton: University Press. - 2017. - 287 p.
2. Predictive ecology in a changing world / Mouquet N. [et al] // J. Appl. Ecol. - 2015. -P. 1293-1310.
3. Bezsonnyi V., Tretyakov O., Khalmuradov B., Ponomarenko R. Examining the dynamics and modeling of oxygen regime of Chervonooskil water // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. - 2017. - V. 5. - № 10(89). - P. 32-38.
4. Better Model Transfers Require Knowledge of Mechanisms / Bouchet P.J [et al] // Trends in Ecology & Evolution. - 2019. - V. 34. - № 6. - P. 489-490.
5. Yasinsky S.V., Venitsianov Ye.V., Vishnevskaya I.A. Diffuznoye zagryazneniye vod-nykh obyektov i otsenka vynosa biogennykh elementov pri razlichnykh stsenariyakh zemle-polzovaniya na vodosbore // Vodnye resursy. - 2019. - T. 46. - № 2. - S. 232-244.
6. Bezmaternykh D.M. Vliyaniye antropogennogo zagryazneniya na strukturu makrozo-obentosa reki Barnaulki (basseyn Verkhney Obi) // Vodnye resursy. - 2018. - T. 45. - № 1. -S. 52-61.
7. Mitrofanova Ye.Yu. Fitoplankton Teletskogo ozera (Altay. Rossiya): osobenno-sti razvitiya i mnogoletney dinamiki // Ekologiya. - 2018. - № 2. - S. 146-151.
8. Yanygina L.V. Makrozoobentos kak pokazatel ekologicheskogo sostoyaniya gornykh vodotokov // Ekologiya. - 2017. - № 2. - S. 141-146.
9. Outstanding Challenges in the Transferability of Ecological Models / Yates K. [et al] // Trends in Ecology & Evolution. - 2018. - V. 33. - № 10. - P. 790-802.
10. Tundisi J.G. Reservoirs: New challenges for ecosystem studies and environmental management // Water Security. - 2018. - № 4-5. - P. 1-7.
11. Tskhai A.A. Reservoir impact on water security // Hydrological Sciences and Water Security: Past, Present and Future: Proc. of the 11th Kovacs Colloquium. France, 2014 // PIAHS. - 2015. - № 366. - P. 196-197.
12.Bakker K. Water security: Research challenges and opportunities // Science. - 2012. -№ 337. - P. 914-915.
13.Maksimova M.P. Kriterii antropogennogo evtrofirovaniya rechnogo stoka i raschet an-tropogennoy sostavlyayushchey biogennogo stoka rek // Vodnye resursy. - 1979. - T. 6. -№ 1. - S. 36.
14.Tskhay A.A., Ageykov V.Yu. Matematicheskoye modelirovaniye protsessov transfor-matsii soyedineny azota i fosfora i izmenchivosti kislorodnogo rezhima v vodokhra-nilishchakh // Vodnye resursy. - 1997. - T. 24. - № 6. - S. 718-728.
15.Maksimova M.P. Vozdeystviye tekhnogeneza na gidrosferu. Metodika otsenki an-tropogennogo khimicheskogo rechnogo stoka v morya // Vestn. MGU. Seriya: Yestestvennye nauki. - 2012. - № 2. - S. 89-96.
16.Tskhay A.A., Leonov A.V. Prognozirovaniye kachestva vody v proyektiruyemom vo-dokhranilishche na osnove modeli transformatsii azota i fosfora // Vodnye resursy. - 1995. -T. 22. - № 3. - S. 261-272.
USE OF ANALOGIES IN PREDICTION OF WATER QUALITY CHARACTERISTICS FOR OBJECTS OF THE UPPER OB BASIN
A.A. Tskhai1-2
'Institute for Water and Environmental Problems of the SB RAS, Barnaul, E-mail: tskhai@iwep.ru
2Altai State University, Barnaul
The problem of using mathematical estimates and models for water bodies in extrapolation of temporal and spatial data is considered. On the example of water bodies of the Upper Ob basin, methods for predicting environmental characteristics are proposed and tested. The anthropogenic component of the hydrochemical runoff of the Ob river in the observation point below the Barnaul city is identified. The choice of an analogue is the most important element in predicting of the state for the ecosystem of the designing reservoir. In this case, the simulations use the values of the internal parameters for the model which were found for the water body-analogue.
Keywords: monitoring, river basin, reservoir, similarity.
Received September 4, 2019
