CC BY
51
1. Zyryanova, T.A. Evaluation of components of water balance of large Vasyuganskoye bog / T.A. Zyryanova, G.S. Zinchenko, N.N. Bezuglova // Geography and Natural Resources. - 2007. - Issue 4.
2. Project development of standards of permissible exposure of the Irtysh River Basin: information-analytical report, state contract number 51of October 13, 2008 [E / p] // Sovintervod, Low Ob Basin Department on Water Management, Federal Agency. - 2009. - http://www.nobwu.ru.
3. Calculation of analytical frequency curves (Hydrostatistics): RF certificate number 200060667 / V.A. Zhorov, E.K. Vorobiev, O.V. Lovtskaya, S.G .Yakovchenko; rightholder - IWEP SB RAS - Application number 2000610563, date of receipt: June 13, 2000; registered in the Software Register 07/20/2000.
4. Malinin, V.N. Variability of global water cycle under climate change / V.N. Malinin // Water Resources. - 2009. - V 36. - № 1.
5. Water resources of Russia and their use / Ed. by Prof. I. Shiklomanov. - St. Petersburg: State Hydrological Institute, 2008.
6. Galakhov, V.P. The dependence of the surface runoff in taiga zone of the Ob basin on meteorological parameters variability / V.P. Galakhov // The world of science, culture, education - 2009. - № 5 (17).
Article Submitted 17.12.10
УДК 556.555.4
А. Т. Зиновьев, канд. физ.-мат. наук, завлаб., ИВЭП СО РАН; К.Б. Кошелев, канд. физ.-мат. наук, с.н.с., ИВЭП СО РАН; К.В. Марусин, н.с., ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected]
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ТЕЛЕЦКОГО ОЗЕРА: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ
Для развития методов математического моделирования физико-химических процессов в стратифицированных озерах и водохранилищах экспериментально и теоретически изучается термический режим Телецкого озера. Приводятся данные наблюдений за пространственной температурной неоднородностью озера в летне-осенний период и рассчитанное поле изотерм для модельного года. Сопоставляются натурные и расчетные данные вертикальных распределений температур в районе п. Корбу.
Ключевые слова: натурные наблюдения, математическое моделирование, термический режим, вертикальная стратификация, Телецкое озеро.
Омь с. Вознесенское 1955-1977 1978-2006 39,13 50,46 +11,33 +28,96
Тара с. Малокрасноярское 1955-1977 1978-2006 32,98 38,11 +5,13 +15,57
References
В условиях изменений климата и возрастающей антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны актуальной задачей является совершенствование системы водно-экологического мониторинга состояния окружающей среды. Одним из путей ее решения является развитие математических моделей гидрологических и физико-химических процессов для оценки и прогнозирования состояния экосистем крупных озер и водохранилищ [1]. В настоящее время при моделировании динамических процессов в стратифицированных водоемах часто используются сравнительно простые одномерные вертикальные (1DV) математические модели [2]. Их применение для описания гидротермических процессов в глубоких озерах и водохранилищах обосновано, поскольку они достоверно воспроизводят один из основных наблюдаемых там гидрофизических процессов - формирование термоклина. Здесь нужно отметить следующее. Наблюдения показывают, что вертикальная термическая неоднородность (стратификация) в озерах и водохранилищах существенно влияет на протекание многих химико-биологических процессов, определяющих показатели качества воды. Наряду с этим прослеживается вертикальная неоднородность распределения многих других характеристик водных экосистем [1]. Поскольку градиенты их изменения по вертикали также на несколько порядков выше, чем в горизонтальных направлениях, то гидрофизические 1DV-модели могут быть базовыми для создания ряда гидрохимических (возможно, и некоторых гидробиологических) процессов в глубоких озерах и водохранилищах.
К вышесказанному следует добавить то, что, как правило, задачи оценки и/или прогнозирования состояния малоизученных глубоких водоемов (к их числу относятся проектируемые сибирские водохранилища) решаются при малом количестве имеющихся входных данных по объектам исследования. Еще и поэтому развитие 1DV-моделей физико-химических процес-
сов, требующих сравнительно малого количества входных и начальных данных, является важным и востребованным. Это подтвердил недавний опыт прогнозирования изменения качества водной среды р. Нижняя Тунгуска под влиянием строительства Эвенкийского водохранилища [3].
Изучение экосистемы Телецкого озера - уникального природного водоема на юге Западной Сибири - является важной комплексной научной задачей, в разные годы решаемой в рамках крупных национальных и международных научных программ. При экологической оценке проекта Катунской ГЭС в качестве одного из водоемов-аналогов проектировавшегося водохранилища также рассматривалось оз. Телецкое. Тогда был разработан ряд 1DV-моделей физико-химических процессов в стратифицированных водоемах [4-7]. В том числе модель термической стратификации Телецкого озера [8].
Математические модели непрерывной стратификации глубоких водоемов впервые рассмотрены в работах D.R.F. Наг1етап и его коллег [9-12] и базируются на предположении, что изотермические слои в водоеме горизонтальны. Данное допущение позволяет свести задачу к решению системы уравнений тепло- и массопереноса с одной пространственной координатой. При этом гидротермическая модель водоема учитывает приток и отток воды, а также изменение по глубине площади его горизонтального сечения. Исследования в данном направлении были продолжены работами [4-7, 13-14].
Телецкое озеро представляет собой проточный водоем вытянутой формы. Для формулировки математической модели гидротермических процессов в оз. Телецком на рисунке 1 приведено схематизированное изображение котловины озера. Здесь использованы следующие обозначения: Sь - поверхность ложа, S - поверхность зеркала воды, S+ и S. - плоскости, ограничивающие входной и выходной створы рассматриваемого озера, соответственно.
Рис. 1. Схематическое представление формы котловины озера: стрелками показаны нормали к соответствующим поверхностям
По горизонтальным сечениям озера можно провести осреднение, предполагая относительную однородность гидрофизических и гидрохимических характеристик по этим сечениям. В явном виде для температуры эта процедура выглядит следующим образом:
T (z, t) = J T (r, t )di = (T (r, t )), (1)
W (r, t )T (r, t)\ = lW (r, t)) T (r, t)) + ((w (r, t) - (W (r, t)\)t (r, t) - (T (r, t))))' (2)
(она аналогична по другим переменным). Такое осреднение всегда можно выполнить без каких-либо дополнительных предположений. Однако при этом возникают определенные проблемы, связанные с аппроксимацией отличного от нуля среднего значения произведения отклонений скорости и температуры от своих средних значений (второе слагаемое в уравнении 2). По своему физическому смыслу это слагаемое является вертикальной дисперсией, обеспечивающей рассеивание потока, который выражается через средние величины
Ж (Г, г}) (Т (г, г}) . Поэтому его обычно считают пропорциональным градиенту средней температуры и добавляют в соответствующий диффузионный член уравнения к средним значениям градиента температуры. Это приводит к введению эффективного коэффициента вертикальной диффузии, отражающего вклады молекулярной и турбулентной диффузии.
При формулировке замкнутой математической модели гидротермических процессов в глубоком стратифицированном озере помимо методики одномерного (вертикального) представления используются упрощающие предположения об отсутствии теплообмена между водной толщей и дном озера, гидростатическое приближение и двухпараметрическая модель турбулентности [4-6].
Анализ уровенного режима Телецкого озера, выполненный в работе [15], показал, что колебания его уровня в основном связаны с изменением составляющих его водного баланса; максимальная годовая амплитуда этих колебаний составляет 6 м и обусловлена весенним половодьем. Для того, чтобы на разностном уровне обеспечить выполнение законов сохранения при моделировании многолетних изменений гидротермического режима Телецкого озера (в том числе законов со-
хранения массы и тепла), система определяющих нелинейных уравнений записывается в дивергентном виде.
Для создания компьютерной гидротермической 1DV-модели оз. Телецкое нужны данные о морфометрических характеристиках его котловины. В связи с этим на основе фондовых данных создана цифровая модель рельефа (ЦМР) котловины озера.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
- экспериментально исследовать динамику пространственной температурной неоднородности в оз. Телецкое;
- выполнить численные эксперименты по моделированию термического режима оз. Телецкое в рамках 1DV-модели гидротермических процессов и сопоставить результаты моделирования с полученными натурными данными.
В 2010 г. (12-13.08.2010, 29.08.2010, 29-30.09.2010) были выполнены наблюдения вертикальных распределений температуры в оз. Телецкое на различных вертикалях (рис. 2) с использованием профилографа SeaCat SBE 19р1ш и получены вертикальные распределения температуры в летне-осенний период, дополняющие и уточняющие данные наблюдений прошлых лет (рис. 3).
В качестве входной информации при проведении имитационных расчетов годовой температурной стратификации Телецкого озера для задания модельного года использованы среднесуточные метеоданные для пос. Яйлю 2009-2010 гг. После выполнения расчета для нескольких последовательных модельных лет погрешность задания начального состояния озера становится несущественной. Результат расчета представлен на рисунке 4. Построенные по результатам расчетов изолинии температуры демонстрируют, что в озере два раза в год при температуре максимальной плотности воды возникает термическая неустойчивость и развивается вертикальная циркуляция.
Рис. 2. Расположение и номера измерительных вертикалей (даты измерений: 12-13.08.2010, 29.08.2010, 29-30.09.2010)
Рис. 3. Профили температуры воды на вертикалях 10, 12 и 14 по результатам измерений 12-13, 29 августа и 30 сентября 2010 г.
14
15
16
17
18
19
20 Ц—I—.—.—.—I—.—.—.—I—.—.—.—I—.—.—.—I—.—.—.—I—.—.—.—I—-I-—.—I—.—.—.—I—.—.—.—¡———I—.—.—.—I—.
01.05 01.06 01.07 01.08 01.09 01.10 01.11 01.12 01.01 01.02 01.03 01.04
Время, сутки
Рис. 4. Сезонный ход изотерм для Телецкого озера (модельный год)
В других расчетах в качестве начальных условий задавались значения Т(Z), зарегистрированные вблизи Корбу
12.08.2010. Для вычисления теплообмена через поверхность озера использовались соответствующие по времени данные метеонаблюдений в пос. Яйлю. Результаты расчетов (рис. 5)
Сопоставительный анализ результатов расчетов и данных наблюдений показал необходимость дополнительного изучения влияния эффекта сжимаемости на описание процессов переноса тепла воды в придонных слоях озера.
Расчеты показали, что 1DV-модель хорошо воспроизводит температурный режим оз. Телецкое. Совпадение результатов моделирования с данными натурных наблюдений дает основание использовать эту модель в качестве базовой для теоретического представления различных гидрофизических и гидрохимических процессов в озере, в том числе описывающих перенос растворенных газов. Сопоставление расчетных и натурных данных показало, что необходимо дополнительно теоретическое и экспериментальное изучение вопросов, свя-
показали, что 1DV-модель удовлетворительно воспроизводит динамику температурной стратификации в летне-осенний период (глубину перемешанного слоя, ход температуры поверхностных слоев воды).
занных с моделированием теплообмена в придонных слоях озера.
Данная работа была выполнена в рамках научного проекта СО РАН VH.62.11. «Исследование гидрологических, гидрохимических, гидробиологических и экологических процессов в водных объектах Сибири с учетом антропогенных факторов и изменения климата» при финансовой поддержке Междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 23 (координатор ак. О.Ф. Васильев) и № 95 (координатор чл.-к РАН А.Г. Дегерменджи). Авторы признательны академику М.В. Эпову за предоставленное оборудование для выполнения экспедиционных работ и выражают благодарность А.В. Дьяченко за активное участие в выполнении натурных исследований.
29.09.2010 Телецкое озеро
Температура
10 12
>
f
\
;
■
-Эксперимент
- - - Расчет
ния)
Рис. 5.Вертикальные распределения температуры в Телецком озере на 29.08.2010 и 29.09.2010 (расчет и натурные измере-
References
1. Henderson-Sellers, B. Engineering limnology / B. Henderson-Sellers. L.: Gidrometeoizdat, 1987.
2. Orlob, G.T. One-Dimensional Models for Simulation of Water Quality in Lakes and
Reservoirs / G.T. Orlob // Mathematical Modeling of Water Quality: Streams, Lakes and Reservoirs (Int. Ser. On Appl. System Analysis; 12). Chichester: Wiley and Sons, 1982.
3. Zinoviev, A.T. Using mathematical modeling to evaluate the design decisions when creating large reservoirs / ECO-newsletter Ine-ka. - 2009. № 4 (135) (www.ineca.ru/?dr=bulletin/arhiv/0135&pg=011).
4. Vasiliev, O.F. Mathematical modeling of hydrothermal processes in the deep waters / O.F. Vasilyev, O.B. Bocharov, A.T. Zinoviev // Hydraulic engineering. - 1991. № 7.
5. Vasiliev, O.F. A mathematical model of migration of dissolved impurities in the reservoir-flooded soil system/ O.F. Vasiliev, A.T. Zinoviev, P.V. Ivanov, S.A. Sukhenko // Water Resources. - 1993. V. 20. - № 6.
6. Bocharov, O.B. Effect of selective withdrawals on an annual thermal regime of the deep reservoir / O.B. Bocharov, A.T. Zinoviev // Water Resources. 1992. № 5.
7. Zinoviev, A.T. One-dimensional vertical model of sedimentation in a deep reservoir / A.T. Zinoviev, Y.N. Kopylov, A.A. Kuzmin / / Water Resources. 1995. - V. 22. - № 6.
8. Zinoviev, A.T. Simulation of ice-thermal regime of Lake Teletskoye / A.T. Zinoviev // International. Symposium "Hydrological and ecological processes in the reservoirs and their watersheds: Proceedings. - Novosibirsk: IWEP, SB RAS Publ., 1994.
9. Markofsky, M. A predictive model for thermal stratification and quality in reservoirs / M. Markofsky, D.R.F. Harleman // Department of civil engineering, MIT, 1971.
10. Huber, W.C. Temperature prediction in stratified reservoirs / W.C. Huber, D.R.F. Harle-man, P.J. Ryan // Proc. ASCE, J. Hydraulics Division. 1972. V. 98. - HY 4.
11. Rayn, P.J. An analytical and experimental study of transient cooling pond behavior / PJ Rayn, D.R.N. Harleman // Cambridge: MIT, 1973. Tech. Report 161.
12. Harleman, D.R.F. Hydrothermal analysis of lakes and reservoirs / DRF Harleman / / Proc. ASCE, J. Hydraulics Division. 1982. V. 108. - HY 3.
13. Ignatova, G.S. Dimensional model of the seasonal thermocline in lakes / G.S. Ignatova, V.I. Kwon // Water Resources. - 1979. № 6.
14. Zinoviev, A.T. Modeling of wind effects on the temperature stratification of the deep reservoir / A.T. Zinoviev, A.A. Kuzmin // Siberian Physi-co-Technical Journal. - 1991. - № 4.
15. Selegey, V.V. Teletskoye Lake / V.V .Selegey, T.S. Selegey. - L.: Gidrometeoizdat, 1987. Article Submitted 17.12.10
УДК 612.392.9
И.А Иванов, асп. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; А.Н. Эйрих, канд. тех. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КАДМИЯ В СЫРЬЕВЫХ ВИДАХ ФЛОРЫ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
Рассматриваются особенности содержания кадмия в образцах флоры Республики Алтай методом атомно-абсорбционного анализа. Ключевые слова: лекарственные растения, безопасность, тяжелые металлы.
В последнее время все большее распространение получают различные продукты пищевого, биологически активного и фармацевтического свойства, полученные из природного сырья, например, из дикорастущих лекарственных и пищевых растений. Некоторые виды характерны только для Республики Алтай. Возрастающий интерес к использованию такого сырья в промышленности, может поставить их на грань исчезновения.
Разносторонние исследования условий произрастания диких лекарственных и пищевых растений позволит не только более эффективно обеспечивать сохранность и безопасность популяций, но и наиболее рациональным и эффективным способом осуществлять сбор таких растений и их переработку. Для перспективного использования растений в промышленности важна не только безопасность среды произрастания, но и выбор безопасного для популяции количества собираемых растений и своевременного сбора. Заготовка должна осуществляться в той фазе развития растения, когда оно достигает максимального значения целевых свойств. В первую очередь для использования лекарственных растений в промышленности необходим контроль качества и безопасности на содержание загрязняющих веществ в заготавливаемом сырье. Тяжелые металлы являются вредными загрязняющими веществами, способными накапливаться в биологических объектах.
Кадмий - редкий и весьма рассеянный элемент. Его содержание в земной коре составляет 1,3-10"5 %. Из-за сильного рассеяния он не образует самостоятельных рудных скоплений промышленного значения, а встречается в рудах тяжелых цветных металлов в качестве примеси и извлекается из них
как побочный продукт. Основные сферы его использования: для антикоррозионного покрытия (т.н. кадмирования) черных металлов, особенно в тех случаях, когда имеется их контакт с морской водой, а также для производства никель-кадмиевых электрических аккумуляторов. Он входит в состав многих сплавов как легкоплавких, так и тугоплавких износостойких (например, с никелем). Кадмий используется в стержнях-замедлителях атомных реакторов, некоторые его соединения обладают полупроводниковыми свойствами. Довольно долго кадмий применялся для изготовления красителей (пигментов) и в качестве стабилизатора при производстве пластмасс (в частности полихлорвинила), однако в настоящее время, в силу токсичности, в этих целях он практически не используется.
Широкое распространение кадмия в топливе, удобрениях, рудных отвалах наряду с использованием этого элемента в промышленном производстве и определяет постепенно увеличивающуюся концентрацию данного элемента в окружающей среде. Растения и животные извлекают и накапливают его в тканях своего тела. Явление биоаккумуляции Сd происходит в экосистемах как при наличии металла в естественных для окружающей среды количествах, так и при антропогенном ее загрязнении. Кадмий относится к кумулятивным ядам и является высокотоксичным тяжелым металлом.
Антропогенные источники поступления кадмия в окружающую среду можно разделить на две группы: локальные выбросы, которые связаны с промышленными комплексами, производящими или использующими кадмий, и диффузно-рассеянные по Земле источники разной мощности, начиная от тепловых энергетических установок и моторов и заканчивая
