Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. I. однокритериальные классификации Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 577.4

Вестник СПбГУ. Сер. 7, 2004, вып. 3

Ю. Н. Сергеев, СулинЛю

ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА И КАЧЕСТВА ВОД МОРЯ БОХАЙ. I.

ОДНОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ

Эта статья открывает серию публикаций, посвященных диагностике трофического статуса и качества вод моря Бохай.

Общая характеристика моря. Море Бохай (его еще называют заливом Пуок Хей Желтого моря) представляет собой внутреннее море Китая и является одним из 12 внутренних морей мира. Его опоясывают с трех сторон полуостров Ляодун, равнина Хуабей и полуостров Шаньдун. Восточная часть моря Бохай отделена от Желтого моря островами Мяоледан и Чаньшаньдао и соединяется с ним проливами Лаотешань и Бохайхайся (Чжилийский пролив). Бохай играет существенную роль в экономике прилегающих к нему районов Китая. Ежегодно с речным и грунтовым стоками в него сбрасывается около 4 млрд т сточных вод и около 1 мин т загрязнителей. Значительную долю в них занимают биогенные органические и минеральные вещества. О величине биогенной нагрузки на море можно судить хотя бы по тому, что только в бассейне р. Хуанхе проживают около 300 млн человек. Бытовые, сельскохозяйственные и промышленные загрязнения нарушают потоки энергии и круговороты вещества в морской экосистеме, приводят к истощению промысловых биологических ресурсов. В результате загрязнения в некоторых районах моря уже возникла кризисная экологическая ситуация. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляет оценка пространственной изменчивости трофического статуса и качества воды моря.

Особенности гидрологического режима. Площадь акватории моря Бохай оценивается в 82 700 км2, а объем его вод - 1710 км3. Средняя и максимальная глубины составляют 21 и 72 м соответственно. По акватории моря диапазоны глубин, соответствующие им площади зеркала и объемы вод распределены следующим образом: 0-20 м - 42 000 км2, 1320 км3; 20-40 м - 36 700 км2, 430 км3; 40-60 м - 2100 км2, 40 км3; 60-72 м - 1000 км2, 10 км3 [1].

Внутригодовая изменчивость температуры воды типична для мелководных морей с континентальным климатом. Она минимальна в феврале. В северо-западной части моря опускается ниже 0° С, а в восточной - колеблется около +1° С. Интенсивное конвективное перемешивание обусловливает однородное распределение температуры по всей толще воды в холодное время года. С ноября по март значительная часть акватории моря покрыта дрейфующим льдом. Летом в мелководных районах вода прогревается до 22-28° С. В весеннелетний период на глубине 10-30 м устанавливается слой скачка температуры и плотности. Градиенты температуры здесь достигают 10° С/15 м.

В море Бохай впадают более 100 малых и больших рек. Среди них одна их крупнейших рек Азии - Хуанхе (Желтая река), имеющая длину 4845 км, площадь водосбора 745 000 км2, средний годовой расход в устье 1500 м3/с, а максимальный - 22 000 м3/с. Режим рек определяется главным образом муссонным характером климата. Более половины годовой суммы осадков (до 700 мм) выпадает в июле-сентябре. Поэтому реки имеют паводковый режим с половодьем в июле-августе и меженью в январе-феврале. Расходы рек характеризуются большой межгодовой изменчивостью. Соотношение расходов р. Хуанхе в устьевой зоне в многоводные и маловодные годы достигает 20-25:1. Из-за широкого распространения в бассейнах рек легко размываемых горных пород, особенно лёсса, они выносят в море боль-

© Ю. Н. Сергеев, Сулин Лю, 2004

шое количество твердого материала. Хуанхе занимает по этому показателю первое место в мире. Среднее содержание песка и ила в 1 м3 ее воды достигает 34 кг, а годовой твердый сток - 1380 млн т.

На пространственное распределение солености морских вод существенно влияет речной сток. В поверхностных слоях центрального и восточного районов моря Бохай соленость составляет 30-31%о, но с приближением к западному побережью под его воздействием она значительно уменьшается и в районе устья Хуанхе падает до 22%о. Речной сток оказывает также решающее влияние на цветность и прозрачность вод моря Бохай. Желтое море получило свое название из-за цвета воды, обусловленного желтыми лёссовыми речными наносами с побережья Китая. Среднее количество взвесей в морской воде Бохая оценивается в 0,2-0,6 г/л, а наибольшее - 1,8 г/л. Обилие аллахтонных взвесей обусловливает аномально низкую прозрачность воды, которая в центральной части моря составляет 15-22 м, а в районах, примыкающих к устьям рек Хуанхе и Ляохе, - меньше 2 м. Взвеси аллахтонного происхождения поглощают фотосинтетически активную солнечную радиацию в поверхностном слое воды и лимитируют развитие фитопланктона в водной толще.

Динамика вод моря определяется ветровыми, градиентными сгонно-нагонными, приливными и стоковыми течениями. Ветровые и сгонно-нагонные течения, связанные с муссонным типом циркуляции атмосферы, охватывают всю толщу вод моря Бохай. Приливные волны приходят из Желтого моря. Они имеют полусуточную, а в некоторых районах суточную периодичность. Их амплитуды в большинстве районов побережья равны 2-3 м. Полусуточная приливная волна в море движется против часовой стрелки и вращается вокруг двух амфидромических точек, расположенных в северной и южной частях моря. Приливные колебания уровня вызывают приливные течения, скорость которых составляет 2-3 узла, а в проливах - и больше 3 узлов.

Обильный речной сток обусловливает возникновение значительной стоковой составляющей в общей циркуляции вод моря. Опресненное, холодное зимой поверхностное течение принимает воды из Ляодунского залива и залива Бохайвань и через Чжилийский пролив выносит их в Желтое море. Однако простой расчет показывает, что за счет стока крупнейшей из впадающих в Бохай рек - Хуанхе - вода в море полностью обновляется за 36 лет. Частный коэффициент условного водообмена, представляющий собой отношение годового стока реки к объему моря, равен 0,028. Море Бохай, таким образом, можно отнести к разряду слабопроточных водоемов. Но этот вывод касается только открытой части моря. Мелководные заливы, особенно их приустьевые зоны, следует рассматривать как проточные водоемы.

Исходная информация и методика построения цифровых моделей полей экологических характеристик.

Для оценки пространственной изменчивости трофического статуса и пространственно-временной изменчивости качества вод моря Бохай была использована картографическая информация из атласов [2—4], в которых для четырех сезонов года приведены карты распределения значений гидрофизических переменных, концентраций и биомасс гидрохимических и биологических компонент морской экосистемы, а также карты распределения антропогенных поллютантов на различных глубинах. Карты составлены по многодетным рядам наблюдений. Распределение характеристик на них представлено в изолиниях. Масштаб карт 1:7000 ООО.

Мелководность моря Бохай, малая прозрачность его вод, препятствующая развитию первичных продуцентов на глубине, интенсивное конвективное, ветровое и приливное перемешивание вод позволяют в первом приближении не проводить осреднения характеристик по вертикали, а ограничиться рассмотрением карт их распределения на поверхности моря. Эти карты были применены при построении цифровых моделей полей характеристик с помощью ГИС-технологий.

Ввод картографической информации в ГИС (МарМог) выполнен в матричной форме с помощью сканера. Процедура векторизации изолиний характеристик осуществлена с помощью монитора. В ходе ее выполнения в памяти ПЭВМ формируется совокупность триад (значение характеристики, широта, долгота), в итоге определяющая пространственную изменчивость поля векторизуемой характеристики. Такие совокупности использованы в работе для построения цифровых моделей полей характеристик. Цифровые модели построены для сеточной облас-

ти, с шагом по широте 31,8 км, по долготе 33,7 км, аппроксимирующей конфигурацию береговой линии моря Бохай. Сеточная область содержит 105 узловых точек. Значения характеристики в узлах сетки определялись путем интерполяции данных соответствующих триад в ГИС (Arc View). По такой методике построены 44 цифровые модели полей физических (прозрачность воды по белому диску), гидрохимических (концентрации нитратного, нитритного азота, фосфатов), биологических (первичная продукция, концентрация хлорофилла «а», биомассы фитопланктона и зоопланктона) характеристик, а также полей промышленных загрязнений (нефтепродукты, концентрации свинца и кадмия) в море Бохай для четырех сезонов года.

Взаимосвязь категорий трофического статуса водоема и качества его вод. Понятия трофического статуса водоема и качества его вод взаимосвязаны. Антропогенное повышение трофического статуса, выражающееся в увеличении биологической продуктивности водоема, вызывается обогащением вод биогенными веществами, поступающими с бытовыми и промышленными стоками, а также с поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение продуктивности приводит к «цветению воды» и, как следствие этого, к вторичному загрязнению водоема органическими веществами.

Термином «качество воды» обозначается сочетание химического и биологического составов и физических свойств воды, определяющих ее пригодность для конкретных видов водопользования [5]. В этом определении отражается антропоцентрический подход к понятию качества воды. Расширение понятия достигается добавлением условия необходимости соответствия воды требованиям охраны окружающей среды, что отражает геоцентрический подход к качеству воды. Для характеристики загрязнения воды разлагающимися органическими веществами используется категория сапробности водоема, которая устанавливается по видовому составу и биомассе организмов - биоиндикаторов (сапробобионтов). Увеличение сапробности, идентифицирующее снижение качества воды и синхронное повышение трофности водоема, породило появление терминов «трофосапробность» и даже «трофоса-пробный статус». Поскольку с ростом трофности водоема ухудшается качество его вод, категорию трофности можно рассматривать как подмножество категории качества воды. Это позволяет в значительной степени унифицировать состав информации, необходимой для диагностики трофического статуса и качества вод.

При оценке качества воды к характеристикам трофности добавляются антропогенные поллютанты, такие, как тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, детергенты и др. Заметим, что они оказывают непосредственное влияние и на продукционные возможности экосистемы. Их невысокие концентрации приводят организмы в стрессовое состояние и способствуют увеличению продукционных возможностей экосистемы, а значит, и эвтрофирова-нию водоема. При высоких концентрациях загрязняющих веществ организмы находятся в угнетенном состоянии или гибнут, и продукция экосистемы снижается. (Количественная оценка влияния концентраций тяжелых металлов на скорость роста водорослей приводится в работе[6].)

Однако категории «трофический статус» и «качество вод» существенно отличаются. Качество вод - это динамическая категория. Оно может изменяться практически мгновенно под влиянием того или иного антропогенного фактора или группы факторов и определяться по данным одной экспедиционной съемки. Трофический статус -более статичная категория, непосредственно связанная с процессами энерго- и массообмена в экосистеме. Он обычно находится по осредненным на значительном временном интервале рядам наблюдений.

Установление пространственной изменчивости трофического статуса и качества вод моря - это типично классификационные задачи. Они состоят в отнесении конкретного района к определенному классу, т.е. к нахождению таких решающих правил в пространстве классификационных признаков, которые обеспечивают наибольшую точность распознавания. Такая постановка задачи предусматривает, что известны, во-первых, словарь признаков и их градации, а во вторых, - алфавит классов.

Для идентификации степени трофности водоемов рядом авторов предлагаются однокритериальные классификации. В них учитываются различные классификационные признаки: величина первичной продукции, средняя биомасса фитопланктона, концентрация хлорофилла «а», суммарная биомасса рачков-фильтраторов, биомасса бентоса, численность бактерий, концентрации взвешенного органического вещества, общего фосфора и азота, фосфатов, аммонийного азота, нитритов и нитратов, прозрачность воды и т.д. Достаточно полная сводка одномерных классификаций (по 51 признаку) приводится в статье [7]. Алфавит классов обычно содержит Ъ-\ элемента: олиготрофный, мезотрофный, эвтрофный и гипертрофный водоемы. Иногда используются и промежуточные классы трофности: ультраолиготрофный, мезотрофно-эвтрофный и др. Классификации приводятся по осредненным за многолетний временной интервал, год или вегетационный сезон данным.

Для оценки качества вод широко применяются также однокритериальные классификации, позволяющие характеризовать загрязненность водоемов по отдельным показателям физической (прозрачность, мутность, жесткость), химической (с использованием ПДК различных загрязняющих веществ) и биологической природы (са-пробность, токсичность, концентрация хлорофилла «а», численность и биомасса различных таксономических групп гидробионтов и др.). Алфавит классов качества воды обычно содержит 5-6 элементов: очень чистые, чистые, умеренно загрязненные, загрязненные, грязные и очень грязные воды.

Анализ градаций одноименных признаков трофического статуса и качества вод позволяет провести параллели между элементами алфавитов классов этих категорий. Олиготрофный статус приблизительно соответствует очень чистым водам, мезотрофный - чистым, мезотрофно-эвтрофный - умеренно загрязненным, эвтрофный - загрязненным, гипертрофный - грязным и очень грязным.

Оценка трофического статуса и качества вод моря Бохай по отдельным показателям. Для решения этих задач использовались однокритериальные классификации (табл. 1). Выбор классификационных признаков определялся исключительно составом картографической информации, имеющейся в атласах [2-4].

Таблица 1. Классификационные признаки и алфавит классов, принятые для оценки трофического статуса и качества вод моря Бохай

Классы трофности и градации ее признаков

Классификационные признаки трофического статуса Олиготроф- ный (1) Мезотроф- ный (2) Мезотрофно- эвтрофный (3) Эвтроф- ный (4)

Качество воды Трофический статус Г идрофизи-ческие характеристики Прозрачность воды по диску Секки, м 4-10 2-4 1-2 0,5-1

Г идрохи-мические характеристики Концентрация фосфора фосфатов (РОД мгР/л 0,001-0,005 0,005-0,015 0,015-0,03 0,03-0,1

Концентрация азота нитритов (ЫСь), мгМ/л 0,0-0,02 0,02-0,05 0,05-0,1 0,1-0,2

Концентрация азота нитратов (N03), мгЫ/л 0,01-0,05 0,05-0,2 0,2-0,5 0,5-1,0

Г идробио-логические характеристики Продукция фитопланктона, мг/л 0,0-0,05 0,05-0,5 0,5-2 2-4

Концентрация хлорофилла «а», мкг/л 0-2 2-9 9-12 12-15

Биомасса фитопланктона, мг/л 0,0-0,1 0,1-0,5 0,5-1,0 1,0-5,0

Биомасса зоопланктона, мг/л 0-1 1-2 2-3,5 3,5-5

Антропогенные поллютанты Концентрация нефтепродуктов, мг/л 0-0,01 0,01-0,05 0,05-0,3 0,3-0,6

Концентрация свинца (РЬ), мг/л 0-10 10-20 20-50 50-100

Концентрация кадмия (С<1), мг/л 0-3 3-5 5-10 10-20

Классификационные признаки качества вод Очень чистые (1) Чистые (2) Умеренно загрязненные (3) Загряз- ненные (4)

Классы качества воды и градации его признаков

Море Бохай во многом сходно с Финским заливом. Это выражается в широтном положении, значительной степени замкнутости, малых глубинах, небольшой прозрачности вод, существенном влиянии речного стока на гидрологический режим, значительных антропогенных нагрузках на водные экосистемы. Особенно велико сходство между восточной частью Финского залива и заливами Ляодунский, Бохайвань, Лайчжоувань, в которые впадают крупные реки. Поэтому при выборе градаций признаков трофности и качества вод моря Бохай за основу приняты градации, использованные в работах В. В. Дмитриева и соавторов для восточной части Финского залива [7]. Недостающая информация (например, градации продукции фитопланктона и биомассы зоопланктона) принята по данным сводной таблицы критериев распознавания трофности водных экосистем (см. [8]). Частичные изменения града-

ций связаны с возможным размахом пространственно-временного распределения гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических характеристик моря, а также с расширением традиционного алфавита классов трофности (введением мезотрофно-эвтрофного класса). Это позволяет, во-первых, детализировать картину эвтрофирования моря и, во-вторых, унифицировать градации признаков и размерность алфавитов классов трофического статуса и качества вод.

Для определения трофического статуса использованы данные о среднем многолетнем пространственно-временном распределении характеристик в море Бохай, полученные путем поточечного осреднения цифровых моделей сезонных полей одноименных характеристик. Поскольку качество воды моря во многом зависит от загрязненности речного и поверхностного стоков, имеющих большую внутригодовую и межгодовую изменчивость, для его идентификации применялись цифровые модели осредненных за многолетний период сезонных полей характеристик. Процедура распознавания степени трофности и качества вод по отдельным показателям очень проста и состоит в отнесении значений характеристики в точках сеточной области к той или иной градации классификационного признака. Некоторые результаты распознавания приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Оценка трофического статуса моря Бохай но однокритериальным классификациям. Статус: 1 - олиготрофный; 2 - мезотрофный; 3 - мезотрофно-эвтрофный; 4 - эвтрофный. а - прозрачность воды; 6 - концентрация фосфатов; в - концентрация нитратов; г - биомасса фитопланктона.

Трофический статус водоема и качество его вод можно рассматривать как дискретные случайные величины. Законы их распределения позволяют определить эмпирическую вероятность (частость) встречаемости каждого класса на акватории моря. Простейшей формой закона распределения дискретных случайных величин являются ряды распределения, полностью описывающие степень трофности и качество вод с вероятностной точки зрения (табл. 2, 3).

Оценку трофического статуса и качества вод моря в целом можно проводить двумя способами. Первый из них состоит в отнесении бассейна к тому классу, вероятность встречаемости которого максимальна; второй предполагает использование оценки математического ожидания классификационного признака, характеризующей положение случайной величины на его числовой оси. Бассейн относится к тому числу трофности или качества, в пределах которого располагается оценка математического ожидания.

Таблица 2. Эмпирические вероятности встречаемости классов трофности по однокритериальным классификациям

Категории Олиготроф-ный (1) Мезотрофный (2) Мезотрофно-эвтрофный (3) Эвтрофный (4) Математическое ожидание

N0? 1.000 1,00

N03 0,727 0,273 1,27

ро4 0,919 0,081 2,08

Хлорофилл «а» 1,000 1,00

Зоопланктон 1,000 1,00

Фитопланктон 0,566 0,379 0,030 0,025 1,52

Продукция 1,000 1,00

Прозрачность 0,167 0,510 0.278 0,045 2,20

Анализ результатов распознавания трофического статуса моря Бохай в целом по отдельным показателям трофности (см. табл. 2) достаточно противоречив. По признаку «прозрачность воды» море относится к классу мезотрофных водоемов с тенденцией перехода в класс мезотрофно-эвтрофных. Однако этот признак нельзя признать репрезентативным показателем трофического статуса моря Бохай, поскольку низкая прозрачность вод здесь имеет не автохтонное, а аллохтонное происхождение и связана главным образом с речным выносом лёсса. По признаку «концентрация фосфатов» море относится к устойчиво мезотрофным водоемам; по признаку «концентрация нитратов» и «биомасса фитопланктона» - к олиго-трофным с тенденцией перехода в мезотрофный класс; по признакам «концентрация нитритов», «концентрация хлорофилла “а”», «первичная продукция», «биомасса зоопланктона» - к устойчиво олиготрофным.

Пространственная изменчивость степени трофности вод моря весьма существенна (см. рис. 1). Наиболее интенсивной эвтрофикации подвергаются морские заливы. Среди них приоритет принадлежит заливу Бохайвань. По признаку «биомасса фитопланктона» его воды относятся к классу мезотрофно-эвтрофных с тенденцией перехода в эвтрофные, а по остальным трем признакам - к мезотрофным. Ляодунский залив по признаку «концентрация фосфатов» находится в стадии перехода от мезотрофного к мезотрофно-эвтрофному классу, а по остальным признакам - к мезотрофному. Воды залива Лойчжоувань по всем четырем признакам классифицируются как мезотрофные. Центральная часть моря по признаку «концентрация нитратов» относится к мезотрофному классу, а по остальным признакам - к оли-

Таблица 3. Эмпирические вероятности встречаемости классов качества воды по однокритериальным классификациям

• Категории Очень чистые (1) Чистые (2) Умеренно загрязненные (3) Загрязненные (4) Математическое ожидание

Зимой 1,000 1,00

N02 Весной Летом Осенью 1,000 1,000 1,000 1,00 1,00 1,00

Зимой 0,369 0,631 1,63

N03 Весной 0,722 0,279 1,28

Летом 1,000 1,00

Осенью 0,652 0.349 1,35

Зимой 0,722 0,278 2,28

Р04 Весной 0,101 0,899 1,90

Летом 0,253 0,748 1,75

Осенью 0,702 0,298 2,30

Зимой 1,000 1,00

Хлорофилл «а» Весной Летом Осенью 1,000 0,950 1,000 0,051 1,00 1,05 1,00

Зимой 1,000 1,00

Зоопланктон Весной Летом Осенью 1,000 1,000 1,000 1,00 1,00 1,00

Зимой 0,848 0,071 0,081 1,23

Фитопланктон Весной Летом 0,727 0,626 0,157 0,192 0,116 0,121 0,061 1,39 1,62

Осенью 0,884 0,116 1,12

Зимой 1,000 1,00

Продукция Весной Летом 1,000 0,879 0,121 1,00 1,12

Осенью 0,995 0,005 1,01

Зимой 0,066 0,348 0,586 3,52

Прозрачность Весной Летом 0,172 0,631 0,439 0,283 0,182 0,086 0,207 2,42 1,46

Осенью 0,025 0,283 0,424 0,268 2,93

Весной 0,338 0,652 0,010 2,67

Нефтепродукты Летом 0,727 0,273 2,27

Осенью 0,697 0,303 2,30

Кадмий Осенью 1,000 1,00

Свинец ” 0,687 0,197 0,116 і 1,43

Рис. 2. Оценки качества вод моря Бохай по однокритериальным классификациям, расположение и мощность основных источников промышленного загрязнения вод (т/год).

Воды: 1 - очень чистые; 2 - чистые; 3 - умеренно загрязненные; 4 - загрязненные. а - концентрация' нефтепродуктов весной; 6 - концентрация свинца осенью.

а ,/"•3 ’3 -4 ^4 -4^4^ч •4 4 -4 '4 -4 '4 4 '4 '4 4 '4

3 -3 ’3 -4 ■А ■4^

3 '3 '3 '3 ■з '4^4/ /1

</^44*^ ‘4 '4 3 '3 '3 '3 '3 3. --З- '3

(' 4 А '4 *4 '4 4 -3 '3 -3 '3 ■*Г~г -з -з |

’4 '4 '4 "4 4 '4 -3 -3 2 '2 2 -3 -3 !

4 4 '3 '3 '3 2 2 2 2 ;

V 4 '4 -3 -3 ,'-1 '2 '2 '2 '2

■ 4 :<4 4 ч -г,- 4 ’4\ —2_ 2,- 2 |

^•2 ’2 ^3" X !

| б ‘2 ‘2 '2 -3

у'"' -1 1 /•1 ч м м •1 -1 -1 -1 •1 *2 '2 •1 М >2 ^ ‘1 ■1

/ '2 -2 ■1 •1 -1 -1 *1 • 1 — 1 !!

'■3 -з -3 2 ■1 •1 -1 '1 -1 *1 -1 •1 и

\3 -3 ■3 '2 2 •1 -1 -1 #1 •1 -1 -1 *1 •1II

12 •2 1 ’1 “1^ /X. -1 ’1 '1 *1 ! !

Г 2 •2 -1 -V ^—;1 -1, ^111

-2 2Г I

Рис. 3. Оценки качества вод моря Бохай по однокритериальным классификациям, расположение и мощность площадных источников сельскохозяйственного загрязнения вод на побережье (г/м2 в год).

Воды: 1 - очень чистые; 2 - чистые; 3 - умеренно загрязненные; 4 - загрязненные, а - прозрачность воды зимой; о - прозрачность воды летом; в - концентрация фосфатов зимой; г - концентрация фосфатов летом.

готрофному. Воды проливов Бохайхайся и Ляотешань по признаку «концентрация фосфатов» характеризуются как мезотрофные, а по остальным признакам - к^к олиготрофные.

Качество вод моря Бохай по отдельным признакам в пространстве и времени также весьма неоднородно. Основными загрязнителями, ранжированными по степени их влияния на качество вод, являются взвеси терригенного происхождения, нефтепродукты, фосфаты, свинец, фитопланктон. По этим признакам вода в морских заливах классифицируется чаще всего как загрязненная или умеренно загрязненная. Основные источники загрязнения нефтепродуктами, свинцом и сельскохозяйственными удобрениями на побережье моря показаны на рис. 2, 3. Пространственная изменчивость выражается в постепенном или скачкообразном улучшении качества вод от заливов к центральной части моря и проливам, где вода по большинству показателей оценивается как чистая или очень чистая.

Временная изменчивость качества вод моря обусловливается двумя причинами. Во-первых, она связана с внутригодовым и межгодовым распределением речного и грунтового стоков. Весной и особенно летом, в период половодья, реки выносят в море максимальное количество загрязняющих веществ, особенно лёсса и сельскохозяйственных загрязнителей. Зимой в период межени сток загрязняющих веществ минимальный. Поступление в море промышленных загрязнений, например нефтепродуктов, в течение года более-менее равно-

мерное. Во-вторых, причиной временной изменчивости качества воды по отдельным показателям является внутригодовой цикл развития морской экосистемы, выражающийся в перераспределении вещества между компонентами биоценоза и биотопа в различные сезоны года. В весенне-летний период биомасса планктона возрастает за счет изъятия из среды биогенных элементов. Цветение водорослей приводит к снижению прозрачности воды. Осенью и зимой происходит уменьшение биомассы из-за повышенной смертности организмов и накопления биогенных веществ за счет разложения органики.

..->•1 ’2 2"\

/ 11 ■1 ’2 '2 '2

'1 2 '2 -г/

"■1 '1 '1 '2 •2 ■$гу

/ 2 •1 ’1 '1 2 •1 '1 ’1 '2 ■1 1 '1 '2 У*

г 2 2 2 '2 ’2 -1 '1 '1 '1 '1 ЧГ Л -2 -2

\? 2 2 ‘2 2 2 '2 '1 ’1 '1 •1 '1 2 2

'г- '-5—:2-'2 ’2 '2 '2 '2 2 •1 '1 '2 ‘2

12 ■2 ‘2 2 •2 ;-2. " ■2 ■2 2 2

'2 -2 ;2_ -2 1—,;2^ '2 ^; 2

/ '1 '"1

Ч -1 -1

м -1 -1

ч

'"‘Ч -Ч~

ГТ"'-Ч

-^1 -1 ‘1 '1 '1./

’1 '1 ‘1 ■1 -1 '1 '17

*1 ‘1 '1 ■ 1 -1 ■ 1 •

г

Рис. 4. Оценки качества вод моря Бохай по однокритериальным классификациям.

Воды: I - очень чистые; 2 - чистые; 3 - умеренно загрязненные; 4 - загрязненные, а - концентрация нитратов зимой; б - концентрация нитратов летом; в - биомасса фитопланктона зимой; г - биомасса фитопланктона летом.

Рассмотрим на примере залива Бохайвань сезонную изменчивость качества воды (рис. 4). Весной вода залива по всем показателям, кроме концентрации нефтепродуктов, классифицируется как чистая. Летом по биомассе водорослей она оценивается как умеренно загрязненная и загрязненная, по концентрации фосфатов и нитратов - как очень чистая, по прозрачности - как умеренно загрязненная. Осенью и зимой вода по биомассе фитопланктона относится к очень чистой, по концентрации нитратов - чистой, по концентрации фосфатов и прозрачности - умеренно загрязненной. По концентрации нефтепродуктов вода залива во все сезоны года классифицируется как умеренно загрязненная.

Оценка трофического статуса и качества вод моря с помощью однокритериальных классификаций проводится в условиях дефицита и неопределенности информации и неизбежно содержит связанные с этим погрешности. Информационный голод, с одной стороны, объясняется существенными экономическими затратами, связанными с проведением морских

экспедиционных исследований, а с другой - большой пространственно-временной изменчивостью полей экологических характеристик, требующей для адекватного описания проведения частых и подробных экспедиционных съемок.

Дефицит и неопределенность натурной информации могут быть частично преодолены при использовании для оценки уровня трофности и качества вод метода сводных показателей. Такая оценка будет проведена в следующей публикации.

Summary

Sergeyev Yu. N„ Liu Suling. Digital models of trophic status in the sea Bohai. I. Singlecriterion classifications.

The results of estimating water spatial distribution of trophic status and time-spatial distribution of water quality in the sea Bohai are represented. They are obtained on a number of indexes: water transparency, concentration of nitrate-nitrite nitrogen and phosphate phosphorus, value of primary production, phyto-zooplankton biomass, concentration of cl “a”, petroleum products, lead and cadmium.

Литература

1. Океанографическая энциклопедия /Отв. ред. Р. М. Деменицкая Л., 1974. 2. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Biology / Ed. by Chen Guozhen. Beijing, 1991. 3. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Chemistry / Ed. by Wang Yuheng. Beijing, 1991. 4. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Physics / Ed. by Li Quanxing. Beijing, 1991. 5. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод / Под ред. А. В. Караушева. Л., 1987. 6. Земараева Т. А.. Рудикова А. А. Изучение зависимости скорости роста одноклеточных водорослей от температуры, кислотности и концентрации тяжелых металлов //Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем / Под ред. Ю. А. Израэля. Л., 1989. 7. Дмитриев В. В., Мякишева Н. В., Третьяков В. Ю., Хованов Н. В. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей. II. Трофический статус водных экосистем // Веста. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 1997. Вып. 1 (№ 7). 8. Справочник по гидрохимии / Под ред. А. М. Никанорова. Л., 1989.

Статья поступила в редакцию 10 января 2004 г.