Эволюционно обусловленные основы устойчивости экосистемы искусственного водоема
Автор: Шаврак Е.И., Семенцева Т.М.
Журнал: Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии @ssc-sl
Рубрика: Экология водных экосистем
Статья в выпуске: 2 т.23, 2014 года.
Бесплатный доступ
На примере геоэкосистемы Цимлянского водохранилища проведена оценка устойчивости климатических, гидрологических и гидрохимических системоформирующих процессов. Идентифицированы инвариантные свойства, в качестве которых рассматривали пространственно-временные закономерности процессов. Количественно охарактеризован ассимиляционный потенциал водной системы.
Геоэкосистема, цимлянское водохранилище, устойчивость, инварианты, ассимиляционный потенциал
Короткий адрес: https://sciup.org/148314913
IDR: 148314913
Текст научной статьи Эволюционно обусловленные основы устойчивости экосистемы искусственного водоема
поддержании эволюционно сформированного запаса экосистемной устойчивости. В связи с этим особую актуальность приобретают научно-методические аспекты его идентификации, рассмотрению которых посвящена данная работа.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В табл. 1 представлена характеристика используемой информации. Одним из наиболее значимых факторов, определяющих характеристики водных ресурсов, являются климатические условия территории водосбора. В целях выявления устойчивых пространственно-временных взаимосвязей климатических показателей температуры воздуха (ТВ) и количества осадков (КО) анализировались их временные ряды на 8 станциях Гидрометслужбы, расположенных в бассейне р. Дон, а также в радиусе 300 км от ЦВ.
Характеристика динамики уровня воды в водохранилище имеет важное значение как для безопасности гидротехнических сооружений, так и для рыбного хозяйства (Мурашов и др., 2009). При выявлении закономерностей формирования уровенного режима ЦВ рассматривались средневзвешенные значения среднемесячных и среднесуточных уровней, замеряемые на водомерных постах г. Цимлянск, х. Суворовский, пгт Нижний Чир, х. Рычков, ст-ца Голубинская, ст-ца Трехостровская, г. Калач-на-Дону, с. Ложки, х. Ильмень-Суворовский, х. Кривской, Цимлянский порт в течение 1954-2011 гг.
Гидрохимические процессы определяют качественные характеристики водных ресурсов. В их исследовании использовалась официальная информация Цимлянской гидрометобсерватории (сведения о водных балансах ЦВ), ФГУ УВРЦВ (показатели гидрохимического режима ЦВ в 2000-2009 гг.). Была выбрана группа из 20 показателей, отражающих ионный состав, окисляемость воды, режим биогенных веществ и тяжелых металлов в 17 вертикалях ЦВ в основные фазы водного режима.
Исследование закономерностей
климатических
процессов на территории водосбора ЦВ включало: а
нализ структур временных рядов
метеопараметров с помощью метода главных компонент;
анализ детерминированности
межгодовых климатических изменений с помощью фрактального анализа Херста; установление силы и значимости межгодовых климатических изменений с помощью
трендового анализа
; оценку степени пространственного сходства климатических режимов различных метеостанций с помощью
показателей системного сходства
(изоморфизма). При этом оценивались взаимосвязи между временными рядами среднегодовых значений метеопараметров пространственно сопряженных (расположенных друг за другом при движении по водотоку) метеостанций бассейна р. Дон. Полученные в результате анализа значения рангового коэффициента корреляции Спирмена
Ks
использовали в качестве одного из показателей степени изоморфизма. При значениях
Ks
<0,3 эта степень оценивалась как незначительная,
0,3
Методологической основой исследования являлись статистические методы анализа и методы оценки экосистемной устойчивости (Берталанфи, 1969; Фе- доров, 1975; Сочава, 1978; Израэль и др., 1988; Экологическая оценка…, 2005;
Пузаченко, 2010; Шварк и др., 2011).
В ходе идентификации инвариантных закономерностей уровенного режима исследовали внутригодовую устойчивость скоростей изменения уровня. Для этого использовали канонический метод определения относительного коэффициента устойчивости Уотн ( Федоров, 1975), показывающего, как степень изменения параметра устойчивости соответствует степени изменения внешнего воздействия. У отн рассчитывали по формуле:
V „
ОТН
I (R j+1
I (ф j . 1
—
—
R j )/R j , Ф j )/Ф j
Таблица 1
Характеристика информации, используемой в исследовании
1. Климатические данные (> 80000 показателей)
Вид временных рядов Источник Пространственная принадлежность Временной диапазон среднегодовые, среднемесячные, усредненные дневные значения ТВ и КО архивы Госфонда, u/tech/aisori метеостанции Цимлянска, Калача-на-Дону, Тамбова, Воронежа, Росто-ва,Таганрога, Гиганта, Ремонтного ТВ: 1912 2008 гг. КО: 1966 2008 гг.
2. Данные о количественных характеристиках водных ресурсов ЦВ (>4000 показателей)
объем годового стока р.Дон |
лит.источники |
верхний бьеф ЦВ |
1954-011гг. |
данные водного баланса ЦВ |
ФГУ «УВРЦВ» |
ЦВ |
2001-2009 гг. |
уровни предполоводной сработки, |
лит.источники, информация ДБВУ, ФГУ «УВРЦВ», |
ЦВ |
1954-2011 гг. |
среднемесячные и среднесуточные уровни, м БС |
1954-1972 гг, 2000-2011 гг. |
3. Данные о гидрохимическом режиме ЦВ и питающих его источниках (>10000 показателей)
R iy = У — У j, где R ijУ - скорость изменения уровня в i- м месяце j-го года, м/месяц, Уij и У ij-1 - среднемесячные уровни воды, соответственно, в i- м и предшествующем ему месяце, м БС. В качестве характеристики внешнего воздействия ФУ использовали величину годового стока р. Дон в верхнем створе ЦВ, допуская, что межгодовые изменения стока равномерно отражаются во все месяцы. На втором этапе исследования с помощью регрессионного анализа изучались межгодовые взаимосвязи среднесуточных средневзвешенных уровней.
Выявление
инвариантности гидрохимических процессов
проводилось в 3 этапа. Первоначально оценивали
межгодовую устойчивость взаимосвязей
между потоками основных ингредиентов, входящих в состав воды ЦВ. Анализировались корреляции между валовыми показателями суммарного прихода (
Miп
) ингредиентов (тн в год) в период 2001-2009 гг
..
В связи с небольшим количеством наблюдений (9 лет) использовали непараметрический метод коэффициента ранговой корреляции Спирмена. По значению коэффициентов корреляции условно оценивали силу связи между показателями: r≤0,4 – слабая связь; 0,4
При определении ассимиляционного потенциала ЦВ был сделан ряд допущений, основанных на характеристиках водохранилища. Первым допущением является ограничение времени нахождения загрязняющих веществ в ЦВ одним годом. С одной стороны, этот период охватывает весь спектр основных условий, влияющих на уровень техногенного загрязнения поверхностных вод ЦВ и их способность к самоочищению. С другой стороны, среднемноголетний коэффициент водообмена ЦВ близок к единице, т.е. объем воды, ограниченный площадью конкретного участка ЦВ, ежегодно полностью обновляется. Поскольку более 90% притока воды в ЦВ вносит сток р. Дон, сделано второе допущение , что ежегодная нагрузка на каждый участок формировалась объемами водных масс, численно равными годовому стоку р. Дон. В качестве третьего допущения использована гипотеза о фронтальном вытеснении водных масс с одного участка на другой, применяемая в расчетах коэффициентов водообмена (Штефан, 1975). АЕ, рассчитанную на основе совокупности сделанных допущений, назвали условной АЕ или АЕусл. Ее расчет проводился в соответствии с (Израэль и др., 1988; Экологическая оценка…, 2005).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
-
А. Инвариантность климатических процессов
-
1. Временные ряды ТВ в холодный период (декабрь, январь, март) характеризуются сложной структурой , а именно: составом тренда, включающего не менее 16 различных главных компонент (ГК), а также набором значимых ГК, характеризующих шум и периодику; повышенным уровнем фрактальности (детерминированности) (табл. 2).
-
2. Сезонный ход ТВ в течение всего периода существования ЦВ характеризуется статистически значимым межгодовым повышением ТВ в марте (Шав-рак, Фесенко, 2011) .
-
3. Установлена очень высокая степень сходства сезонного хода ТВ прибрежной части ЦВ с другими участками бассейна р. Дон (рис. 2)
Характеристики временных рядов ТВ для прибрежной территории ЦВ
месяц |
количество ГК, описывающее не менее 96% дисперсии, единиц |
доля дисперсии, описываемой первой ГК, % |
коэффициент Херста |
|||
Цимлянск |
Калач-на-Дону |
Цимлянск |
Калач-на-Дону |
Цимлянск |
Калач-на-Дону |
|
Январь |
68 |
73 |
39 |
42 |
0,7 |
0,71 |
Февраль |
54 |
59 |
56 |
52 |
0,54 |
0,52 |
Март |
78 |
70 |
12 |
15 |
0,8 |
0,76 |
Апрель |
18 |
22 |
84 |
80 |
0,75 |
0,75 |
Май |
1 |
1 |
96 |
96 |
0,6 |
0,61 |
Июнь |
1 |
1 |
97 |
98 |
0,55 |
0,54 |
Июль |
1 |
1 |
98 |
98 |
0,65 |
0,63 |
Август |
1 |
1 |
98 |
98 |
0,68 |
0,7 |
Сентябрь |
1 |
1 |
96 |
96 |
0,46 |
0,45 |
Октябрь |
39 |
42 |
83 |
89 |
0,46 |
0,45 |
Ноябрь |
64 |
66 |
36 |
38 |
0,78 |
0,8 |
Декабрь |
76 |
78 |
21 |
23 |
0,7 |
0,65 |

Рис. 1. Углы наклона линейных трендов среднемесячных значений ТВ (период 1952-2008 гг).
1- Цимлянск, 2- Калач, 3- Ростов, 4 – Таганрог, 5- Гигант, 6 – Ремонтное

Рис. 2 . Показатели системного сходства временных рядов ТВ и КО (1952-2008 гг.) (по: Шаврак, 2012)
-
В. Инвариантность процессов формирования уровенного режима
-
1. Скорости изменения уровня воды в период с июля по ноябрь отличаются большей стабильностью, чем в остальное время года. Максимальная устойчивость к изменению объема притока воды в ЦВ характерна для соответствующих показателей в июле и сентябре (Шаврак и др., 2011).
-
-
2. Для периода июль – декабрь установлено практически функциональное межгодовое сходство хронологических рядов среднесуточных уровней (R2=0,99), находящее свое отражение в сходстве описывающих эти ряды зависимостей. Они аппроксимируются полиномами третьей степени, характеризуемыми уравнением

Рис. 3. Среднемноголетние относительные показатели устойчивости уровенного режима ЦВ
У(i) =У0 +а i3 + b i2 + c i, где У - среднесуточный уровень воды 1 июня расчетного года,м БС, i - номер дня в хронологическом ряду периода «июнь-декабрь», может принимать значения от 1 до 214, У(i) - уровень воды в день с номером i. Коэффициенты а, b, с отражают особенности уровенного режима конкретного года
-
С. Инвариантность гидрохимических процессов
-
1. Исследование взаимосвязей между валовыми потоками ингредиентов выявило сильные положительные корреляции между количествами поступающей в ЦВ воды, минеральных, органических веществ и марганца (табл. 3). На основании этого можно сделать предположительный вывод о генетическом сходстве источников поступления вышеупомянутых ингредиентов в поверхностные воды. К наиболее вероятным таким источникам относятся почвы.
2.
В ходе
оценки корреляций между концентрациями разных ингредиентов
установлено наличие статистически значимых линейных зависимостей только между показателями ионного состава (табл. 4).
-
3. В ходе анализа пространственной изменчивости гидрохимических процессов (2000-2009 гг.) установлено межгодовое сходство пространственной динамики уменьшения среднегодовых концентраций ионов кальция, гидрокарбонатов, сухого остатка и общей жесткости при движении водных масс от верхнего створа ЦВ к нижнему. Пространственные особенности формирования солевого состава описываются статистически значимыми регрессиями высокого качества:
Коэффициенты корреляции Спирмена между годовыми валовыми характеристиками потоков ингредиентов (по: Шаврак, 2012)
Mп ∑ и |
п M ОВ |
п M N мин |
Mп Р мин |
Mп Fe |
п M Mn |
Mп Cu |
Mп вода |
|
Mп ∑ и |
1 |
0,9 |
0,3 |
0,6 |
0,4 |
0,6 |
-0,9 |
0,9 |
п M ОВ |
0,9 |
1 |
0,2 |
0,5 |
0,2 |
0,8 |
-0,8 |
0,9 |
п M N мин |
0,3 |
0,2 |
1 |
0,3 |
0 |
0 |
0,1 |
0,3 |
M п Р мин |
0,6 |
0,5 |
0,3 |
1 |
0,6 |
0,4 |
-0,5 |
0,6 |
Mп Fe |
0,5 |
0,2 |
0 |
0,6 |
1 |
-0,1 |
-0,6 |
0,5 |
Mп Mn |
0,6 |
0,8 |
0 |
0,4 |
-0,1 |
1 |
-0,5 |
0,6 |
Mп Cu |
-0,9 |
-0,8 |
0,1 |
-0,5 |
-0,6 |
-0,5 |
1 |
-0,9 |
Таблица 4
Характеристики взаимосвязей между показателями гидрохимического режима ЦВ
Участок ЦВ |
Коэффициент детерминации R2 |
Уравнения множественной линейной регрессии. |
Верхний |
0,94 |
Сух.ост.=61,2+0.85 HCO 3 - 2,2 SO 4 2 - +1,38CI- |
0,87 |
Жестк.=0,65+0,047Са2+ +0,064Mg2+ |
|
Центральный |
0,84 |
Сухой ост.=109 +0.89 HCO 3 - +2,28 SO 4 2 - |
0,88 |
Жестк.=0,50+0,036Са2+ +0,087Mg2+ |
|
Приплотинный |
0,74 |
Сухой ост.=161,7 +0,8 HCO 3 - +1,94 SO 4 2 - |
0,90 |
Жестк.=0,51+0,035Са2+ +0,088Mg2+ |
С (Ca2+) = 0,1017x2 + 0,158x + 64 (R2=0,97)
С ( HCO 3 - ) = 0,0927x2 – 0,2341x + 72(R2 =0,98)
С(общая жесткость)= 1,2458x + 74(R2 =0,95)
С (сухой остаток) =0,0442x2 – 0,1897x + 87(R2 =0,97)
В уравнениях регрессий зависимая переменная С – концентрация компонента, выраженная в долях относительно его содержания в верхнем створе ЦВ, независимая переменная х =0,1* l, где l – расстояние от расчетного створа акватории ЦВ до нижнего створа ЦВ, км.
-
D. Ассимиляционный потенциал ЦВ
В табл. 5 приведены значения показателей АЕ усл участков ЦВ и всего водохранилища в целом.
Характеристики ассимиляционного потенциала ЦВ
Таблица 5
№ п/п |
Ингредиент |
Ассимиляционная емкость |
||||
отдельных участков ЦВ , тн/км2*год |
ЦВ тн/год |
|||||
Верхний |
Чирской |
Центральный |
Приплотинный |
|||
1 |
марганец |
0,25 |
1,10 |
0,24 |
0,00 |
767 |
2 |
медь |
0,24 |
0,04 |
0,01 |
0,00 |
99 |
3 |
железо |
6,73 |
1,81 |
0,75 |
0,04 |
3592 |
4 |
ХПК |
416,77 |
444,11 |
31,67 |
45,02 |
376901 |
5 |
БПК 5 |
53,81 |
9,74 |
3,15 |
16,66 |
38199 |
6 |
нефтепродукты |
1,18 |
0,30 |
0,66 |
0,40 |
1523 |
7 |
нитраты |
3793,57 |
1143,12 |
350,96 |
477,47 |
2395671 |
8 |
аммоний |
12,75 |
4,97 |
2,75 |
5,71 |
13748 |
9 |
фосфаты |
3,23 |
6,37 |
3,86 |
7,14 |
13831 |
Всего |
4288,53 |
1611,56 |
394,05 |
552,44 |
2844331 |
Необходимо отметить, что от Верхнего участка ЦВ к Приплотинному отмечается уменьшение способности экосистемы к самоочищению от марганца, меди и нефтепродуктов.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В ходе проведенного исследования установлены эволюционно обусловленные закономерности системоформирующих процессов геоэкосистемы ЦВ, в том числе устойчивое межгодовое повышение ТВ в марте, сходство сезонного хода ТВ прибрежной части ЦВ с другими участками бассейна р. Дон, инвариантность процессов формирования уровенного режима во второй половине года, генетическое сходство источников поступления в ЦВ минеральных, органических веществ и марганца, пространственные особенности формирования солевого состава. Количественно охарактеризован ассимиляционный потенциал ЦВ, составляющий почти 3 млн тонн /год по отношению к основным загрязняющим веществам. Выявленные закономерности обусловлены действием комплекса разномасштабных факторов глобального, регионального и локального происхождения. Они поддерживают состояние системы, заключая в себе потенциал устойчивости ее характеристик. Полученные результаты могут быть использованы в системе мониторинга состояния ЦВ для диагностики степени отклонений геоэкосистемы от состояния устойчивости.
Список литературы Эволюционно обусловленные основы устойчивости экосистемы искусственного водоема
- Берталанфи Л. Общая теория систем. М.: Прогресс, 1969. С. 23-82.
- Израэль Ю.А., Цыбань А.В., Вентцель М.В., Шигаев В.В. Обобщенная модель ассимиляционной емкости морской экосистемы // ДАН СССР. 1988. Т. 272, № 2. С. 459-462.
- Мурашов А.В., Дубинина В.Г., Александровский А.Ю. Требования рыбного хозяйства и их учет при разработке правил использования водных ресурсов водохранилищ ГЭС // Гидротехническое строительство. 2009. № 12. С. 28-32.
- Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Мартышева Н.А. Современные характеристики и тенденции многолетних изменений эколого-токсикологического состояния Цимлянского водохранилища // Метеорология и гидрология. 2012. № 4. С. 75-85.
- Пузаченко Ю.Г. Инварианты динамической геосистемы // Известия РАН. Серия географич. 2010. № 5. С. 6-16.