Моделирование процесса эвтрофирования водоемов (стр. 2 )

  -  концентрация общего фосфора, рассчитанная по модели вытеснителя

-  концентрация общего фосфора, рассчитанная по модели идеального перемешивания

D – безразмерный параметр, т. е.  доля объема водоема, условно соответствующая условиям идеального вытеснения.

Сравнительная оценка  моделей полного мгновенного перемешивания и полного вытеснения проведена по результатам расчетов концентраций фосфора в водохранилищах Днепровского и Волжского каскадов [Даценко, 1996]. Для этого использовались опубликованные результаты расчетов балансов общего фосфора в водохранилищах. Эти расчеты характеризуются различной полнотой и относятся к разным периодам наблюдений. Наиболее длинные ряды наблюдений имеются для водохранилищ Днепра: Киевского (годы 1965-1967, 1971, 1982), Кременчугского (годы 1961-1964, 1973, 1982), Каховского (годы 1956-1959, 1968-1969, 1978, 1981, 1985), и Волги: Куйбышевского (1966-1968), Горьковского (1976-1978), а также Цимлянского водохранилища (1954-1957). Особой детальностью учета притока и стока общего фосфора характеризуются данные по Иваньковскому, Угличскому, Рыбинскому водохранилищам, Можайскому за 1984 год. В Учинском водохранилище, водный режим которого близок к стационарному, расчеты баланса фосфора проводились за многолетний период (1976-1988гг.). Коэффициент удержания фосфора (КРобщ) рассчитывался при допущении стационарности процесса стока фосфора, т. е. с осреднением по годам величин притока и стока фосфора. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Расчетные и наблюдаемые концентрации Р, мкг/л, в водохранилищах Днепровского и Волжского каскадов

Водохранилище	R	Kс год-1	Pср  модель идеального перемешивания	Pср модель полного вытеснения	Pср  наблюдения
Волгоградское	0.20	1.9	43	53	86
Горьковское	0.03	0.2	40	70	91
Иваньковское	0.35	5.7	64	75	101
Каневское	0.11	1.5	299	251	-
Каховское	0.18	0.5	93	90	94
Киевское	0.30	1.6	83	108	72
Клязьминское	0.02	0.4	176	187	128
Кременчугское	0.08	0.3	255	281	201
Куйбышевское	0.34	2.3	72	60	103
Можайское	0.60	1.1	52	126	79
Рыбинское	0.46	1.6	61	129	49
Саратовское	0.05	0.8	51	59	94
Цимлянское	0.52	1.0	139	170	144
Угличское	0.20	0.3	91	87	100
Учинское	0.15	1.0	125	130	115

В большинстве случаев концентрации фосфора, рассчитанные по модели полного вытеснения вод, превышают аналогичные значения, полученные по модели идеального перемешивания. Однако это превышение особенно велико в водохранилищах с низкими значениями коэффициента водообмена, в Можайском, Рыбинском, Цимлянском. Значительные расхождения между измеренными и наблюденными значениями концентраций фосфора обусловлены как большими допущениями моделей, так и неточностями оценки средней концентрации фосфора, поскольку в качестве оценки среднемноголетней концентрации фосфора в большинстве случаев использовались данные эпизодических нерегулярных наблюдений. Модель полного вытеснения оказалась несколько предпочтительней лишь в трех  длинных и сравнительно узких водохранилищах (Горьковское, Саратовское и Волгоградское). Для других водохранилищ, как котловинных по морфологическому типу, так и долинных, но характеризующихся низкими значениями коэффициента водообмена, модель идеального перемешивания дает лучшие результаты. Специальное исследование процесса водообмена Можайского водохранилища (коэффициент водообмена 1.8), выполненное , показало, что в  водохранилище многолетнего регулирования реальный водообмен оказывается ближе к типу идеального перемешивания, чем полного вытеснения [Штефан, 1975].

Предложенные в литературе эмпирические зависимости удержания фосфора в водоемах от различных факторов характеризуются, как правило, высокими коэффициентами корреляции, несмотря на значительные различия как в структуре эмпирических формул, так и в значениях коэффициентов. Это обусловлено, видимо, региональным характером получаемых зависимостей, поскольку они устанавливались для отдельных озерных регионов, причем почти исключительно умеренной зоны. Детальное тестирование различных моделей фосфора, проведенное в работах Д. Кэнфилда и Р. Бэчмена [1981], Д. Мэхемаха и С. Бхэгета [1982], С. Болина, Т. Уорда и Р. Коле [1987],  показало возможность получения значительных расхождений в расчетах фосфора в зависимости от применяемой модели, что еще раз подчеркивает региональность предлагаемых моделей. Однако для ориентировочных оценок стационарного содержания фосфора в неизученных водоемах применение некоторых общих зависимостей явно целесообразно, поэтому  как продолжающиеся оценки применимости известных моделей и зависимостей к различным водоемам, так и поиск более адекватных моделей  продолжаются.

Основой для разработки диаграмм и моделей Фолленвейдера послужили данные уже упоминавшейся программы мониторинга озер Северной Америки и Европы. Специального разделения озер и водохранилищ в этой программе не проводилось, и полученные формулы рекомендовались как для озер, так и для водохранилищ. Впервые это разделение провели Кэнфилд и Бэчмэн на основе данных агентства по охране окружающей среды США (EPA), дополненных опубликованными ранее материалами наблюдений по канадским и европейским озерам [Canfield, Bachmann, 1981].  Они получили различные эмпирические оценки для коэффициентов седиментации фосфора в озерах и водохранилищах, причем наиболее тесная зависимость была обнаружена не от характеристик проточности водоема, а от величины объемной фосфорной нагрузки на водоем. Специальное исследование различий в удержании фосфора озерами и водохранилищами проведено M. Cтрашкрабой и его коллегами [Straskraba et al., 1995], которые по данным наблюдений на 59 озерах и 51 водохранилище в центральной Европе получили различные эмпирические зависимости удержания фосфора от периода водообмена для озер и водохранилищ. Страшкраба подтвердил один из основных выводов Кэнфилда и Бэчмэна о более высокой эффективности удержания фосфора в водохранилищах по сравнению с озерами. Проведенные обобщения  охватывали наблюдения на водоемах, расположенных в сравнительно однородных географических условиях, хотя и включали большое разнообразие их размеров и режимов. Поэтому эти зависимости в значительной степени отражают географические особенности рассматриваемых регионов.

Наиболее полное обобщение эмпирического подхода к моделированию эвтрофирования водоемов, доведенное до практического использования с помощью компьютерного пакета было реализовано в комплексной модели, разработанной Уокером на основе детального статистического анализа морфометрических, гидрологических характеристик и данных о качестве воды 299 водохранилищ США и Зап. Европы [Walker, 1984, Walker, 1985]. Данные о качестве воды получены в результате реализации специальной программы мониторинга процесса эвтрофирования водохранилищ в США (EPA/NES – Enviromental Protection Agency/ National Eutrophication Servey), по программе ОЕСД (Organization for Economic Cooperation and Development), а также наблюдений в каскаде водохранилищ р. Тенесси.  Направленность модели на решение проблем эвтрофирования именно водохранилищ обусловила существенные модификации классического озерного подхода, обоснованные статистическим анализом данных мониторинга эвтрофирования водохранилищ. В модели В. Уокера принимаются во внимание следующие основные модификации балансовой и дополнительные факторы:

- влияние нелинейной кинетики осаждения биогенных веществ на их баланс,

- влияние соотношения растворенных и взвешенных фракций фосфора в притоке на баланс фосфора в водохранилище и степень фосфорного удержания,

- влияние сезонных изменений нагрузки водохранилищ на баланс фосфора и распределение его в водоеме,

- влияние совместного азотно-фосфорного лимитирование на величину содержания Chl-a  в водохранилищах [Walker, 1982].

Особенности процесса эвтрофирования водохранилищ легко проявляются при попытке прямого использования диаграмм Фолленвейдера для оценки их трофического состояния. С этой целью обобщены данные наблюдений за фосфорной нагрузкой 20 водохранилищ России и Украины. Представление этих данных в координатах «фосфорная нагрузка» - «гидравлическая нагрузка» (произведение глубины на коэффициент водообмена) ( рис. 5.2 ) показывает, что все они должны относиться к эвтрофному типу.