В приведенный ниже список включены обозначения, наиболее устойчиво встречающиеся на протяжении всей книги. Символы, которые появляются в тексте эпизодически, объясняются непосредственно по ходу изложения.
В приведенный ниже список включены обозначения, наиболее устойчиво встречающиеся на протяжении всей книги. Символы, которые появляются в тексте эпизодически, объясняются непосредственно по ходу изложения.
В этой главе приводятся основные в инженерной лимнологии термины и понятия. В п. 1.1 и 1.2 непосредственно рассматриваются некоторые из фундаментальных лимнологических характеристик. В п. 1.3 кратко обсуждаются климатически обусловленные контрасты свойств внутренних водоемов, а в п. 1.4 вводится концепция моделирования per se. Наконец, в п. 1.5 охарактеризованы современные представления о явлении эвтрофикации водоемов и причинах, вызывающих общественную озабоченность ускоренной или «культурной» (т. е. антропогенной) эвтрофикацией озер и водохранилищ.
Приступая к первичному рассмотрению состояния озера или водохранилища и еще не имея при этом данных о его температурных характеристиках и (или) степени эвтрофности, важно разграничить, что может быть обнаружено при первом обследовании водоема и что можно выявить путем анализа архивных документов. Если водоем еще только на стадии проектирования, то возникают дополнительные вопросы: какая информация может быть собрана до момента заполнения водосборника и какими данными следует располагать после заполнения.
Согласно обзору Фокса и др. [171] по экосистемным моделям для условий Аляски и других районов, лежащих на 40° с. ш., всего лишь несколько моделей прошли апробацию на указанных широтах. Например, из общего числа «общих моделей озера», составившего 18 (сюда не вошли варианты моделей; если бы таковые были приняты во внимание, то их общее число достигло бы 35), только две включали «ледовый» и «снежный» алгоритмы.
Другая группа моделей основывается на такой системе физических предпосылок, при которой количество «настроечных» коэффициентов сокращается до нуля (т. е. преследуется цель создания моделей без надстройки). Вначале (где-то около 1976 г.) это стремление привело к жестким органичениям в применимости моделей, однако, по мере того как новые исследования проясняют действие физических механизмов в водоемах, эти ограничения постоянно сокращаются. Модели такого типа имеют более широкое применение, но имитационные расчеты для одного конкретного района могут не отражать существование локальных аномалий в значениях ведущих переменных (если отсутствуют данные тщательного мониторинга озер в соседнем районе).
Эвтрофикация — термин, означающий «старение» озера. Естественная эвтрофикация происходит за геологические временные интервалы. «Молодое» озеро обычно олиготрофное. В нем содержится немного питательных веществ, и его нагрузка по биомассе невелика. Такие естественные процессы, как ветровая эрозия и выщелачивание дождевой водой, обусловливают дополнительные поступления питательных веществ в озеро, что стимулирует в нем растительную и животную жизнь. Озеро начинает заиливаться со скоростью, которая может быть определена по эмпирической модели Гилла [184]. Последняя применима и к водохранилищам. С заиливанием изменяется глубина водоема, начинается зарастание корневой (литоральной) растительностью ранее открытых участков водной поверхности. «Старое» озеро эвтрофное: качество воды низкое, нагрузка по биомассе велика и недалек (в геологических временных масштабах) тот момент, когда оно должно исчезнуть.
Наиболее важным физико-химико-биологическим параметром в моделях качества воды озер и водохранилищ является температура воды и в особенности — ее распределение (изменение) по глубине водоема. Термическая стратификация обсуждается в п. 2.1. В п. 2.2 исследуется вопрос о потоках различных субстанций, определяющих энергетический баланс водной поверхности. Обсуждение разбивается н!а несколько подразделов. В них подробно рассматриваются возможности параметрического описания каждой из компонент энергетического баланса (в п. 2.2.1 речь идет о коротковолновых потоках солнечной радиации, в п. 2.2.2 — о длинноволновых радиационных потоках, в п. 2.2.3.— об остальных составляющих балансу), которое (т. е. описание) при необходимости может быть видоизменено для того, чтобы учесть суточную изменчивость компоненты (п. 2.3) и ледяной покров водоема (п. 2.4).
Озеро, в соответствии с критерием Сандерема, остается однородным (вне прибрежных зон) до тех пор, пока 7, отрицательно, и только при положительных значениях Ь становится возможной его стратификация.Показанные распределения изотерм (а) и изолиний вектора скорости (б) получены по прогностической модели Беннетта [32]. По условиям счета в течение 45 сут озеро (имевшее повсеместно температуру 2°С) получало через свободную поверхность тепло, приходившее с равномерной скоростью 16 106 Дж/(м2-сут). Стрелки, длина которых не масштабирована, показывают распределение потока относительно линии конвергенции. Можно видеть слабую антициклоническую циркуляцию за линией конвергенции в открытой части озера и относительно интенсивную циклоническую циркуляцию в прибрежной зоне. В последнем случае реализуется геострофическое равнодействие между силой давления (вектор Р) и силой Корнолиса (вектор С). О — вектор геострофической скорости.
Положительное направление потоков соответствует направлению стрелок.Ниже обсуждается каждое из слагаемых энергетического баланса и приводится сравнительный анализ предложенных к настоящему времени способов их параметризации. Предлагаются также некоторые рекомендации по использованию в моделях результирующего энергетического потока через поверхность раздела сред в качестве граничного условия.
Цифры на графике — облачность в баллах.В случае наличия облачности предлагается вводить множитель +к .Сг , где 1 = 0,17, а С1 — облачность в баллах [617].Как видно из уравнения (2.41), для расчета Фдв необходимы данные об облачности на различных высотах. Однако, как правило, они отсутствуют.
Обычно получается, что порядок величины Фк меньше порядка Фи или радиационных членов (значение Фк может быть и отрицательным, что соответствует приобретению озером дополнительной энергии [466]), однако лишь в редких случаях оказывается возможным пренебречь этим энергетическим потоком.
При расчете энергетического баланса поверхности озера (описанного в п. 2.2) необходимы среднесуточные данные за период в несколько лет. Такие данные нужны как для верификации модели, так и в дальнейшем для имитационных прогнозов. (Наиболее широко используемые модели описываются в главе 3, а некоторые конкретные исследования обсуждаются в п. 7.1.) На основе имитационных расчетов за годовой период имеется возможность анализировать наиболее «грубые» характеристики изменчивости этого временного масштаба, такие, как глубина залегания и длительность существования термоклина, момент смены термической стратификации, а также момент наступления и продолжительности аноксии в гиполимнионе. Как уже отмечалось в п. 2.2, в таких расчетах баланс потоков энергии через поверхность водоема и ветровое напряжение входят в виде усредненных за 24 ч значений, что является грубым допущением.
Возможность образования ледяного покрова на озерах и водохранилищах определяется климатическими факторами. В моделях, описанных в главе 3, «ледовый» член еще не был заложен.При таянии ледяного покрова в системе озера (и, следовательно, в его моделях) имеет место ряд видоизменений. Наличие твердого покрытия исключает ветровое перемешивание и не допускает реаэрации водоема за счет газового обмена через его поверхность. Вообще говоря, это может привести к аноксии, хотя в то же время имеются наблюдения подледного цветения фитопланктона, при котором выделялись достаточно больших объемов кислородные пузырьки, видимые глазом через ледяной покров — факт, представляющий особый интерес с точки зрения проблемы физико-биологических взаимодействий (Хини, частное сообщение, 1969). Ледяной покров радикально меняет альбедо озера. Интегральное значение Лкв в диапазоне длин волн 0,3—2,8 мкм изменяется от 0,1 до 0,46 в случае прозрачного и белого льда соответственно [49]. Однако при этом не исследовалась зависимость альбедо от зенитного угла Солнца. Болзенга [50] сравнивал отражательные свойства белого льда (имеющего молочный цвет и воздушные пузырьки в своей структуре) и шуги, образовавшейся в мягкую погоду в результате таяния поверхностных слоев льда под действием дождя и затем замерзшей. Найденные им средние значения альбедо составили соответственно 0,46 и 0,41. Было обнаружено, что облачность слабо влияет на альбедо льда, в то же время, согласно наблюдениям, оно имеет суточный ход, что обусловлено изменениями зенитного угла Солнца и состоянием ледяного покрова.
В моделировании озерных процессов сегодня широко распространены два принципиально разных подхода. Первый основывается на концепции турбулентной диффузии (п. 3.1), второй — на концепции перемешанного слоя (интегральной энергии). Ниже обсуждаются оба типа моделей. Рассмотрение начинается с моделей, основанных на концепции турбулентной диффузии, поскольку таковая разработана за много лет до появления теории интегральной энергии. Вполне закономерно, что в рамках первого подхода накоплен более обширный материал. Это нашло свое отражение и в соответственно большем числе страниц книги, посвященных моделям первого типа. В п. 2.3 дан анализ совместимости обоих типов моделей, которые должны рассматриваться скорее, как дополняющие друг друга, нежели конкурирующие [515]. Однако, поскольку до сих пор имеется мало работ, посвященных непосредственному сравнительному анализу этих двух типов моделей, объем п. 3.3 по необходимости невелик. Между тем следует всемерно поддерживать такого рода исследования с тем, чтобы выявить наиболее сильные стороны каждого из типов моделей и использовать их при разработке будущих более совершенных моделей.
При моделировании озер принимается, что горизонтальными градиентами в сравнении с вертикальными можно пренебречь, т. е.Хотя этот упрощенный вариант уравнения нашел широкое применение в практике моделирования, однако далеко не всегда указываются накладываемые на озеро ограничения (т. е. что оно должно быть глубоким, с отвесными берегами) (см., например, [107, 509]). На это обстоятельство обращают внимание Бедфорд и Ба-баджимопоулос [27]. Выделяя модель типа 1 (с изменяющейся по глубине площадью сечения озера — уравнение (3.23)) и модель типа 2 (с А(г) =Ат)В— уравнение (3.24)), эти авторы отмечают, что для модели типа 1 в качестве общей глубины г следует брать максимальную глубину озера, в то время как в модель типа 2 закладывается средняя глубина г. Несмотря на очевидную важность указанных уточнений они не всегда оговариваются в соответствующих публикациях (см. п. 7.1). При этом само собой очевидно, что модель типа 2, в которую закладывается средняя глубина г, неспособна дать никакой информации о глубинах, больших г. Производя сравнительный анализ возможностей моделей типа 1 и 2, Бедфорд и Бабаджимопоулос [27] показали, что для получения адекватного результата по модели типа 2 необходимо вводить поправочный множитель ( 1,5) на коэффициент турбулентной диффузии (предположительно правильно определенный для модели типа 1) (см. ниже).
Современные модели энергетического баланса свободны от этих упрощений и позволяют предсказывать глубину залегания термоклина. В этих моделях после каждого шага по времени (направленного в будущее) осуществляется сравнение наличной потенциальной энергии перемешанного слоя с ветровой кинетической энергией, наличествовавшей на предыдущем временном шаге. По мере образования перемешанного слоя и его заглубления (увеличения по толщине) все больше и больше «дополнительных» нижележащих слоев оказываются вовлеченными в этот перемешанный слой [282, 417]. Скорость изменения потенциальной энергии в действительности соответствует работе, затрачиваемой на то, чтобы поднять слой холодной воды до центра масс перемешанного слоя [515].
Зависимость скорости вовлечения на уровне термоклина от средней глубины его залегания была наглядно продемонстрирована Мортимером [358] (рис. 3.15).С другой стороны, модели перемешанного слоя хорошо описывают механизмы процесса энергообмена, осуществляющегося через этот слой. При этом, однако, следует иметь в виду, что в этих моделях пространственное разрешение в самом слое перемешивания оказывается в некоторой степени заниженным. Кроме того, как было недавно обнаружено Уэйдом (частное сообщение, 1982), без учета в модели механизма турбулентной диффузии в гиполимнионе невозможно производить (с желательной точностью) имитационные расчеты температурных профилей (см., например, главу 7), за исключением случая, когда в водоеме доминирует адвекция (как это отмечалось ранее, например, в работе [241]). Взаимосвязь этих двух типов моделей скорее всего будет углубляться по мере развития и совершенствования прогностических методов.
В этой главе обсуждается гидродинамика озер. Течения в них возникают под воздействием ветров (п. 4.1), но могут быть обусловлены также притоками и стоками (п. 4.2). С позиций управления качеством воды наиболее важный аспект, связанный с притоками и стоками, заключается в проблеме локализации входа в озеро и выхода из него, соответственно, приточных и сточных вод. В случае любого из этих типов течений вертикальные распределения лимнологических параметров в наиболее существенной степени определяются вертикальными профилями скорости потока (т. е. сдвигом потока, см. п. 4.3). Следующими по значению факторами в этом плане являются ветровое волнение и сейши (п. 4.4), которые временами могут даже доминировать над ветровым турбулентным перемешиванием. Наконец, в п. 4.5 обсуждаются некоторые аспекты горизонтальной диффузии загрязняющих компонентов.
При небольших объемных модулях (обычно имеющих место в случае 1) гидравлическое воздействие, оказываемое втекающим потоком, по-видимому, должно быть пренебрежимо мало. В остальных случаях поступающая вода скорее всего способна взаимодействовать с водными массами озера, вызывая по крайней мере локальное турбулентное перемешивание/вовлечение. Эти процессы будут предметом нашего обсуждения, приводимого ниже.
Рьян и Харлеман [457] отмечают, что при выводе приведенных выше формул использовался плотностный градиент, который, в свою очередь, определяется по температурному градиенту непосредственно у водовыпускного отверстия, а это может явиться причиной затруднения в случае, скажем, когда водохранилище нагревается и горизонтальная однородность его водного тела еще не полностью установилась. Кроме того, в моделях водосбросное отверстие принимается линейным, хотя в действительности такие отверстия часто имеют прямоугольную форму. В большинстве случаев, однако, такая аппроксимация представляется приемлемой. Но вот принимаемый в моделях симметричный (относительно оси водоспускного отверстия) профиль скоростей практически наблюдается редко.
Вопросы получения локального решения из решений уравнений переноса и так называемых глобальных уравнений уже кратко обсуждались в п. 4.1.Применяя правило трех процентов, автор получил величину Ф, не превосходящую 11° при скорости ветра 5 м/с, причем при скорости ветра 30 м/с она падает да 4°. Этот результат до некоторой степени подтверждается данными наблюдений Джоржа [182], полученными им для оз. Уиндермие: при среднем значении Ф 15,3° наибольшие отклонения (4—38°) наблюдались при наименьших скоростях ветра. Следует отметить, что соответствующие значения ветрового фактора оказались менее 2,2 %.
Помимо ветровых течений в гидродинамической картине внутренних водоемов важная роль может принадлежать и еще двум дополнительным явлениям. Под действием ветра изобарические поверхности приобретают наклон, что в свою очередь вызывает изменение угла наклона термоклина и уровня поверхности. С прекращением ветра в водоеме возникают долгопериодные колебания, известные под названием сейши (рис. 4.17).
При временных масштабах порядка нескольких суток горизонтальное перемешивание протекает достаточно быстро, чтобы «сгладить» большую часть градиентов в водоеме. В предыдущих разделах книги при анализе как структуры термоклина, так и эк-мановского ветрового течения горизонтальные составляющие турбулентной диффузии (Кх, Ку) не принимались в расчет. Правомерность такого подхода подтверждается данными измерений горизонтального коэффициента перемешивания Кг, свидетельствующими о том, что последние на несколько порядков превосходят значения вертикальных составляющих турбулентной диффузии Кг. Основываясь на данных, полученных в основном для малых озер по экспериментальному озерному району в Канаде, Кей [421] нашел, что значение отношения Кт/Кг колеблется от 103 до 105 и, по-видимому, пропорционально статической устойчивости №. Таким образом, согласно этим оценкам, /Сг=10-1. . . 10 2 м2/с, что хорошо согласуется с данными прямых измерений Кг, проведенных, например, на оз. Мичиган [237, 629] методом слежения за скоростью горизонтальной диффузии пятен красящего вещества с размерами от нескольких сотен метров до 10 км (см. рис. 4.23).
Концентрации РК могут выражаться одним из двух способов: либо в килограммах на кубический метр (кг/м3) и в миллиграммах на литр (мг/л), либо в процентах от состояния насыщения.В условиях насыщения растворенным кислородом вода с повышением температуры способна удерживать в себе меньшие его количества. Последнее влечет за собой снижение, во-первых, непосредственно доступного кислорода, и, во-вторых, удовлетворения (в процентном соотношении) потребностей, обусловленных метаболическими циклами живых организмов (поскольку, скажем, скорость метаболизма у рыб увеличивается с ростом температуры). В случае озер высокоширотных климатических зон важно также учитывать и еще одно обстоятельство: поскольку концентрация РК прямо пропорциональна давлению газа над жидкостью, то при более низком атмосферном давлении состояние насыщения РК характеризуется соответственно более низким содержанием последнего в воде. Отсюда следует, что в таких озерах аноксия (т. е. дефицит кислорода) возникает скорее, нежели в озерах более низких широт.
Виды стоков растворенного кислорода, несомненно, более разнообразны, чем его источников. На рис. 5.10 показано, каким образом стоки включены в одну из моделей качества воды [154]. Каждый вид фитопланктона характеризуется своими затратами на дыхание и своей скоростью роста, которые, по-видимому, зависят от температуры воды. Использование других уравнений трофической цепи водоема дополнительно увеличивает сложность моделируемой системы. Из рис. 5.10 можно видеть, что в данном случае в рассмотрение включены зоопланктон и три вида рыб. При окислении органического вещества как в водном столбе, так и в донных отложениях образуются многочисленные продукты разложения. Суммируя сказанное выше, еще раз подчеркнем, что трудности заключаются не только в составлении исчерпывающей «инвентаризации» стоков, но и в учете их пространственно-временных вариаций. Последнее же имеет фундаментальное значение в обсуждаемой проблеме.
Самым важным биохимическим элементом в водной экосистеме является углерод. Органическая и неорганическая его составляющие обсуждаются в п. 6.1. Разумеется, для роста биомассы чрезвычайно важным является наличие в воДоеме и других питательных веществ. Пункты 6.2 ; и 6.3 посвящены рассмотрению тех из них, которым принадлежит в этом отношении наиболее существенная роль. В некоторых озерах (п. 6.2) специфический интерес могут представлять такие химические элементы (присутствующие в очень незначительных количествах), как сера, кремний, железо и марганец. Однако в большинстве озер и водохранилищ из питательных веществ по своему значению на первое место выдвигаются фосфор и азот, поскольку обычно оказывается, что один из этих элементов является лимитирующим фактором развития биомассы водоема (п. 6.3). Обсуждения перечисленных аспектов; проблемы биохимических циклов, приведенные в п. 6.1—6.3, .затем обобщаются в п. 6.4, который посвящен моделям эвтрофикации озер, экосйстемным моделям, а также индексам трофического состояния.
На рис. 6.4 представлена схема основных взаимодействий между фитопланктоном, зоопланктоном, питательными веществами, а также’ физическими и гидродинамическими характеристиками водоема. Подробное описание такой полной экосистемы со всеми взаимодействиями элементов указанной схемы будет приведенр далее в п. 6.4. Здесь же сконцентрируем наше внимание на двух планктонных членах. На первом этапе они рассматриваются отдельно, а затем исследуется их взаимодействие (в виде выедания). Для задач рационального водопользования последнее иногда (но не всегда) может рассматриваться как необязательный элемент общей схемы взаимодействий, позволяющий внести ясность относительно конкретных типов фитопланктона, формирующих фитоценоз водоема. Кстати сказать, более подробную информацию относительно разновидностей фитопланктона можно найти во многих гидробиологических публикациях, в том числе, например, [83, 595].
В большинстве озер сульфатный ион (по концентрации) занимает второе или третье место, среди растворенных анионов. Сульфаты попадают в озера по большей части с дождями, а также в результате растворения донных пород. Этот ион используется в питательных целях как автотрофными, так и гетеротрофными серобактериями. Он идет на образование аминокислот и выделяется аэробными и анаэробными бактериями соответственно в окисленной форме или в виде ШЭ. Выделение в ходе анаэробного разложения сероуглерода в слое гиполимниона и уменьшение в последнем концентрации растворенного кислорода представляют собой процессы, ответственные за общее ухудшение качества воды. Сероуглерод в растворенном состоянии ведет себя как слабая кислота. Уровень его концентрации в воде отчасти регулируется растворимостью сернистого железа. На рис. 6.9 представлены кривые, отражающие взаимосвязь между концентрациями ионов Ре2+ и молекул Нг5 при различных значениях pH.
Возможно, наиболее часто в роли лимитирующего биогенного элемента в пресных водоемах выступает фосфор (Р) [318, 384]. За ним следует азот (N) (см. обсуждение ниже). Таким образом, уровень концентрации фосфора в воде может иметь критически важное значение в вопросе предсказания вспышки цветения фитопланктона. В связи с этим было осуществлено большое количество исследовательских работ, направленных на выяснение биологических процессов потребления и усвоения фосфора и создание соответствующих математических моделей. Фосфор присутствует в ткани клеток фитопланктона, в составе многих соединений, наиболее важным из которых является ортофосфат (существующий в виде НгРО“ при 3 pH 7 или НРО - при 8 pH 12). Фосфатные группы являются основными структурными элементами нуклеиновых кислот. Входя в состав легких нуклеотидов, фосфор участвует в энергетических и анаболических процессах в растительных клетках [581].
В этом параграфе дано введение в некоторые подходы моделирования, позволяющие включать в рассмотрение только те переменные, которые должны вычисляться, исходя из внутренних свойств системы (т. е. такие, для параметризации которых нет необходимости привлекать эмпирические соотношения, отражающие исключительно внешнее влияние — см. обсуждение вопросов, связанных с РК в главе 5). Здесь мы ограничимся решением случая установившегося режима, используя, однако, в рассмотрении комплекс переменных (в отличие от тех разделов книги, где речь шла о моделировании лишь одного параметра, например фосфора).