Особливості механізмів функціонування чорноморських екосистем шельфу та пелагіалі

L in (ci)=Fi (2)

Де L in - диференціальний оператор, що описує зміну концентрації при зміні переносу течіями і турбулентністю,

Lin=d/dt+(vk d/dxk - d/dxk (Ak d/dxk)) (3)

Позначки узвичаєні: vk - компоненти швидкості течії, Аk - коефіціенти вертикальної і горизонтальної турбулентної дифузії.

Величини Fi описують зміну сi, в результаті хімічних реакцій і життєдіяльності бактерій.

Вирішувався одновимірний варіант для отримання вертикальних профілів компонент системи сi, по яких були експериментальні дані. В результаті проведення чисельних експериментів на даній моделі, наведених в розділі 2.3, [Беляєв В.І., Совга О.Є., 1991], були отримані характерні вертикальні профілі наступних компонент екосистеми: кисню, сірководню, органічної речовини, бактерій сульфатредуцентів і їхньої питомої продукції, тіосульфатів, питомої продукції тіонових бактерій і молекулярної сірки. Здійснене в роботі безпосереднє зіставлення натурних даних з теоретичними кривими (розділ 2.3), показало, що всі отримані криві якісно погодяться з даними спостережень, при характерних значеннях констант, що входять в модель. Адекватність розробленої моделі природному об'єкту була оцінена в розділі 2.4 шляхом порівняння модельної кривої вертикального розподілу сульфатів з даними натурних спостережень по їх розподілу, отриманими автором в 51 рейсі НДС "Михайло Ломоносов" (осінь 1988 г.). Сульфати - основний компонент соляного фону, їхня концентрація в море, окрім процесів сульфат редукції (утилізація сульфатів) і процесів окислення сірководню і інших відновних форм сірки, зв'язаних з приростом сульфатів, контролюється обсягами солоної води Мармурового моря, що надходить в Чорне море з високим вмістом сульфатів і прісної річкової води з низьким їхнім вмістом. Всі складові балансу сульфатів були враховані в моделі (розділ 2.4). Отримана розрахункова крива вертикального розподілу сульфатів узгоджується з даними натурних спостережень, підтверджуючи завдяки цьому адекватність розробленої моделі, і можливість використання її для отримання прогнозних оцінок еволюції екосистеми H2S зони в умовах зміни таких природнокліматичних чинників, як зміна обсягів річкового стоку і солоних вод Мармурового моря, що надходять. Отримане також модельне підтвердження одночасності протікання двох протилежно спрямованих процесів: сульфат редукції і окислення відновлених форм сірки, а також оцінені інтенсивність цих процесів і їхній розподіл по глибині [В.І.Беляєв, О.Є. Совга, С.П.Любарцева, 1994].

Основне призначення моделі екосистеми сірководневої зони - отримання оцінок еволюції H2S - зони в умовах мінливості природнокліматичних і антропогенних чинників. Були проведені серії чисельних експериментів для оцінки практичних можливостей розробленої моделі.

З допомогою розробленої математичної моделі був здійснений аналіз стану екосистеми H2S зони в випадку сильного антропогенного впливу в вигляді зміни потоку органічної речовини з фотичної зони, результати якого представлені в розділі 2.5. Чисельний експеримент на моделі екосистеми сірководневої зони при збільшенні потоку органічної речовини в 2 рази був здійснений спільно з С. П. Любарцевою. Результати чисельних експериментів показали різку зміну стану усіх компонентів екосистеми: зростання концентрації сірководню; зменшення інтегральної швидкості окислення H2S; збільшення концентрації тіосульфатів і молекулярної сірки. А також значне зростання, особливо по периферії моря, концентрацій всіх бактерій (відповідальних як за процес продукування сірководню, так і за процес його втрат в результаті мікробіологічного окислення). Результати чисельних експериментів підтвердили висловлене раніше припущення (Б. О. Скопінцев, 1975), що збільшення потоку органічної речовини в сірководневу зону може призвести до різких змін процесів в морі.

В другій частині роботи (розділ 2.6) наведені результати досліджень, зв'язаних з теоретичною оцінкою можливості практичного використання розробленої моделі, як сучасного інструменту прогнозу стану і еволюції сірководневої зони в умовах реалізації різних технічних проектів, зокрема, прокладки і експлуатації глибинного газопроводу з урахуванням можливих аварійних ситуацій в процесі його роботи. Чисельні експерименти на моделі ще до будівництва такого газопроводу можуть дати прогнозні оцінки екологічної безпеки для екосистеми його експлуатації і визначити рівень ризику екосистеми в випадку можливих аварійних ситуацій. Для отримання прогнозних оцінок впливу будівництва газопроводу і його експлуатації на стан екосистеми сірководневої зони була здійснена модифікація існуючої моделі шляхом введення в неї нових компонент:

1) потік метану з дна моря; 2) швидкість його окислення атмосферним киснем; 3) швидкість його окислення мікробіологічним шляхом; 4) чисельність і швидкість розмноження метан окислюючих мікроорганізмів.

Моделювання вертикального розподілу метану здійснювалося спільно з С. П. Любарцевою в рамках математичної моделі екосистеми сірководневої зони. При цьому чисельні експерименти на моделі були реалізовані в трьох варіантах: перший - базовий стан екосистеми, другий - наявність на дні моря ендогенного джерела метану потужністю 5гС/м2 рік, третій - наявність на дні короткочасного, але винятково потужного джерела, що відповідає інтегральному викиду метану від 500 до 15800 тон і діючого впродовж 4-х годин. Результати чисельних експериментів по всіх трьох варіантах показали, що подібні дії не виявляють значного впливу на функціонування екосистеми сірководневої зони, але ведуть до збільшення результуючого потоку метану в атмосферу на 2-4%. Пояснюється подібна ситуація хімічною і мікробіологічною інертністю метану в умовах сірководневої зони [Совга О.Є., Любарцева С.П., 2002].

Третя частина роботи присвячена вивченню механізмів функціонування екосистеми північно-західної частини моря, як одного з найбільш високопродуктивних районів моря, який в нинішній час характеризується критичним екологічним станом. В роботі екологічна ситуація в північно-західній частині моря розглядається при врахуванні щорічних обсягів забруднюючих речовин, що скидаються по узбережжю, гідродинамічних умов, синоптичної обстановки в регіоні, та з урахуванням сезонної мінливості водообміну між північно-західною частиною моря та його глибоководною зоною. Таким чином враховуються антропогенні і природнокліматичні чинники. Методика досліджень і матеріали, які використовувалися представлені в розділі 3.1. Стисла характеристика океанологічних процесів, що протікають в цій мілководній частині моря, наведена в розділі 3.2.

Механізми функціонування екосистеми північно-західної частини моря вивчені в роботі на основі аналізу багатолітньої мінливості тих її океанологічних параметрів, які є визначальними для нормально функціонуючої екосистеми - це розчинений кисень і двоокис вуглецю (рСО2), органічна речовина (розчинена і зважена), біогенні фосфор і азот. Аналізувалися архівні експедиційні дані за більш ніж 20-и річний період.

Антропогенні зміни кисневого режиму екосистеми північно-західної частини моря оцінені (розділ 3.3) шляхом порівняння річного ходу вмісту кисню побудованого по експедиційних даних за період 60-80р.р (аналізувалися результати експедиційних досліджень північно-західної частини моря, здійснених кораблями Галс, Прибій, Ураган, Нептун, Дельта, Тантал, Буран, Академік Вернадський, дані отримані в МЦД) і розрахованого по моделі екосистеми північно-західного шельфу [В.І.Беляєв, Н.В.Жаров,1983; В. І. Беляєв, О.П. Давидова, О.Є.Совга, 1984].

Встановлено, що за означений період зміна кисневого режиму регіону проявилася не тільки в збільшенні вмісту кисню від 9 мг/л до 18 мг/л, але і в зміщенні максимуму його вмісту в більш теплий період (травень, червень) при порівнянні з лютим - березнем в 60-і роки. Така ситуація веде до втрати кисню з екосистеми при одночасному збільшенні первинної продукції. При певних гідрометеорологічних ситуаціях в екосистемі починає відчуватися дефіцит кисню, що може призвести до гіпоксії та заморів.

Для розрахунку pCO2 (парціального тиску вуглекислоти) в екосистемі північно-західної частини моря (розділ 3.4) використовувались експедиційні дані по визначенню карбонатної лужності, pH, солоності і температури, отримані в той же період і в цих же рейсах, що і дані по кисню (розділ 3.3). Розрахована сезонна мінливість pCO2 не тільки в поверхневому шарі вод, але і по вертикалі в стовпі води до дна, в якій чітко відбився вплив біологічних процесів.

Побудований по отриманих натурних даних річний хід [CO2] (розділ 3.4) порівнювався з модельною кривою річного ходу [СО2], розрахованого по моделі екосистеми північно-західного шельфу [Совга О.Є., Давидова О. П., 1989]. Показано, що модельні оцінки річного ходу О2 і СО2 якісно узгоджуються з натурними даними.

При дослідженні закономірностей функціонування морських екосистем особлива увага повинна приділятися органічній речовині (ОР) - основному джерелу енергії процесів, що протікають в екосистемах.

Найголовніша відзнака механізмів функціонування екосистем шельфу і глибинної сірководневої зони пов'язана з глобальним процесом - деструкцією органічної речовини. Склад органічної речовини можна виразити формулою (СН2О) 106(NH3)16H3PO4 [Хорн Р., 1972]. В нормально аерованій морській воді окислення ОР здійснюється киснем і його можна описати рівнянням:

(СН2О) 106 (NH3) 16Н3РО4+138О2 ®106СО2+122Н2О+16HNO3 + H3PO4 (4)

Коли запас кисню в системі закінчується вона переходить до споживання наступного найбільш значного джерела вільної енергії, необхідної для окислення ОР - NO3- (нітрати):

(СН2О) 106 (NH3) 16Н3РО4+84, 8HNO3 ® 106CO2+42, 4N2+148,4H2O+16NH3+H3PO4 (5)

Після того, як кількість кисню падає до 0.11 мл/л і запас NO2 і NO3 вичерпується, розклад ОР відбувається за рахунок кисню сульфатів в результаті бактеріальної сульфат редукції:

(СН2О)106(NH3)16H3PO4+53(SO42-) ® 106CO2+53S2-+16NH3+106H2O +H3PO4 (6)

З рівнянь видно, що для нормально функціонуючої екосистеми північно західного шельфу Чорного моря деструкція ОР відбувається згідно з рівнянням (4), при виникненні кризових ситуацій, зв'язаних з гіпоксією, розклад ОР здійснюється згідно з рівнянням (5) і, нарешті, при вичерпанні кисню нітратів - за рахунок кисню сульфатів з виникненням осередків сірководню - згідно з рівнянням (6). В екосистемі глибинної сірководневої зони розклад ОР постійно відбувається згідно з рівнянням (6), а в зоні контакту аеробних і анаеробних вод - згідно з рівнянням (5).

В третій частині роботи (розділі 3.5) вивчені особливості деструкції органічної речовини природного походження в мілководних зонах і представлені в вигляді схеми. Побудована також схема осідання зваженої органічної речовини (ЗОР) в залежності від класу органічної речовини і від сезону. Показано, що в залежності від класу органічних сполук ЗОР, їх седиментація може визначатися тільки фізичними процесами (вуглеводні), спільною чинністю біологічних і фізичних процесів (жирні кислоти) і винятково біологічними процесами (білки, амінокислоти) [Совга О.Є., Жоров В.О., Богуславський С.Г.,1998].

Вперше для екосистеми північно-західної частини моря розроблена схема кругообігу одного з важливих біогенних елементів фосфору (розділ 3.6) на всіх поверхнях поділу. При врахуванні сезонної мінливості водообміну між північно-західною частиною моря і відкритим морем отримані кількісні оцінки потоків фосфору. Показано, що при збереженні існуючого рівня евтрофікації північно-західна частина моря щорічно буде поставляти в відкриту його частину 15318 тон фосфору.

Розроблена схема кругообігу іншого важливого біогенного елементу азоту і показана мінливість його потоків на всіх поверхнях поділу вода - мулові води - донні відклади (розділ 3.7.). Із неорганічних форм азоту (NO3-, NO2-, NH4+), які досліджуються, в мілководну частину регіону з атмосфери надходить відносно невелика їхня частина (4.6%). Майже нарівно їх надходить з річковим стоком (35.4%), з узбережжя (28.0%), з морськими водами з відкритої частини моря (32.0%). Із загального надходження в північно-західну частину всіх неорганічних форм азоту 35.7% попадає в глибоководну зону, інша частина (64.3%) переходить в активний мул відкладів.

Активну участь в кругообігу азоту в морських екосистемах приймають бактеріальні процеси:

- процес нітрифікації - протікає в верхньому шарі вод і зв'язаний з окисленням NH3+® NO2 -® NO3 -,

- процес денітрифікації- протікає для умов північно-західного шельфу при епізодично виникаючих там явищах гіпоксії і зв'язаний з бактеріальним окисленням органічної речовини за допомогою кисню нітратів з утворенням молекулярного азоту по реакції:

5CH3OH+6NO3-®3N2+5CO2+7H2O+6OH -, (7)

- процес тіоденітрифікації в умовах мілководдя може мати місце в випадку виникнення осередків сірководню при досить тривалій гіпоксії і зв'язаний з мікробіологічним окисленням сірководню і проміжних продуктів його окислення по реакції:

S2O32-+2NO3+HCO3 ®SO42-+N2+CO2, (8)

- мікробіологічний процес фіксації молекулярного азоту протікає оптимально при пониженому вмісті кисню 0.14 мгО2/л, тому може спостерігатися за умов заморів.

Отримані кількісні оцінки потоків азоту з північно-західної частини в відкрите море. Ці оцінки показали значно меншу їхню величину (17000 тон) у порівнянні з аналогічними потоками фосфору, якщо виходити з стехіометричного співвідношення цих елементів (N:P=16:1) в продукційно-деструкційних процесах органічної речовини (див. рівняння 4-6). На наш погляд, значну роль в такому зменшенні могли зіграти процеси бактеріальної денітрифікації (7) і (8), які переважно мають місце в регіоні під час епізодично виникаючих явищ гіпоксії і заморів. Ці процеси можуть помітно знижувати вміст соляної форми азоту в зв'язку з утворенням атомарного азоту з наступною його втратою в атмосферу. Це явище можна розглядати як природний процес, що знижує азотне евтрофування моря [Совга О.Є, Богуславський С. Г., Жоров В.О. 2001].

На основі кількісних оцінок потоків азоту і фосфору з північно-західної частини моря у відкрите море, в роботі розраховані додаткові кількості органічної речовини, що може утворитися в екосистемі відкритої частини моря в результаті фотосинтезу за рахунок цих постачань. Отримані значення склали 1-8% Сорг. від величини річної первинної продукції в північно-західній частині моря.

Дослідження явищ гіпоксії та заморів, які періодично виникають на північно-західному шельфі, здійснювалось (розділ 3.8) при застосуванні розробленої математичної моделі екосистеми сірководневої зони моря, оскільки процеси, що супроводжують гіпоксію подібні до процесів, що протікають в зоні контакту аеробних і анаеробних вод в екосистемі сірководневої зони.

Виникнення придонної гіпоксії з наступним утворенням сірководневих лінз на північно-західному шельфі Чорного моря вже декілька десятиліть привертає увагу дослідників. Однак досі, причини цього явища, його походження і еволюція є дискусійними.

Для досліджень заморів і придонної гіпоксії (розділ 3.8) система рівнянь моделі сірководневої зони [Беляєв В.І., Совга О.Є., 1991] доповнювалася рівнянням, яке описує зміну концентрації органічного вуглецю, що міститься в придонних малорухомих і прикріплених живих організмах. [В. І. Беляєв, О. Є. Совга, С. П. Любарцева, 1997].

Чисельні експерименти виконувалися у співавторстві з С.П. Любарцевою. Згідно з проведеними розрахунками гіпоксія виникає на глибинах 30-40м (на відстані 30-35км ) і після цього розповсюджується до берега. Результати розрахунків підтверджують, що основною причиною виникаючої гіпоксії є збіг часу існування шару, який перешкоджає вертикальному водообміну з сезонним максимумом потоку органічної речовини на дно. В деякі роки поштовхом для виникнення гіпоксії, за умови збільшення потоку органіки на дно, може служити також природний процес закидання на мілководдя без кисневої води піднятої з глибин 350м (периферія антициклону) в результаті інтенсифікації антициклонічних вихрових утворень [Латун В.С.,1995]. Осіннє конвективне перемішування, безумовно, прискорює процес зникнення осередку гіпоксії, але не міняє спрямування в розвитку процесу.

Екологічний стан північно-західної частини моря з урахуванням мінливості антропогенних і природнокліматичних чинників розглядається в розділі 3.9. При цьому вплив цих чинників розглядається окремо для акваторій, які зазнають впливу річкового стоку, і для акваторій, що не зазнають такого впливу.

В якості антропогенних чинників розглянуті всі існуючі по узбережжю джерела забруднюючих речовин, включаючи стік річок, джерела забруднюючих речовин Одеського і Севастопольського регіонів і Каркінітської затоки.

Оброблені дані по 50-и джерелах забруднюючих речовин (Одеський регіон), включаючи Одеський і Іллічівський порти, промислові і сільськогосподарські об'єкти, рекреаційні зони. По Севастопольському регіону - 58 джерел по узбережжю, включаючи сільськогосподарські, промислові об'єкти, порт, бази відпочинку, санаторії. Узбережжя Каркінітської затоки - 48 джерел, з яких 21 - по узбережжю Криму, 27 - по північному узбережжю (Херсонська область), включаючи промислові та сільськогосподарські об'єкти, рекреаційні зони. Розраховувались річні обсяги скидання забруднюючих речовин для означених регіонів.

Порівняльна оцінка річних обсягів скидів основних видів забруднюючих речовин (всі форми азоту: амонійний, нітратний, нітритний, фосфор заг., СПАР, нафтопродукти, феноли, зважені речовини) для перерахованих вище регіонів дозволила отримати по всіх видах цих речовин рівні збільшення забруднення стічних вод в порівнянні зі забрудненням річкових вод. Встановлено, що більшу небезпеку для екосистеми північно-західного регіону представляють господарсько-побутові стічні води, незважаючи на значно менші їхні обсяги, у порівнянні з обсягами річкових вод. До господарсько-побутових стічних вод річкові наближаються тільки по вмісту нітратного азоту.

Вплив отриманих обсягів забруднюючих речовин на екологічну ситуацію в північно-західній частині моря визначається, передусім, гідродинамікою вод, що забезпечує їхній перенос.

Аналіз гідродинамічної ситуації в північно-західній частині моря був здійснений для акваторій, які зазнають та не зазнають впливу річкового стоку (розділ 3.9.)

Для північно-західного району Чорного моря акваторії, що зазнають впливу річкового стоку займають всю західну частину, включаючи акваторії Одеської затоки і Дніпро-Бузького лиману. В результаті змішування річкових і морських вод утворюється водна маса пониженої солоності, яку від солоних морських вод відділяє фронтальна зона. Для виявлення кліматичних особливостей розповсюдження цих опріснених і забруднених вод побудована середньорічна схема розподілу солоності верхнього десяти - метрового шару вод західної частини Чорного моря (розділ 3.9). [Єремеєв В. М., Латун В. С., Совга О. Є., 2001]. З наведених в роботі даних випливає, що опріснені забруднені води виносяться верхнє босфорською течією в Мармурове море. Тільки під дією сильних і тривалих вітрів західної чверті відбуваються епізодичні прориви фронтальної зони на схід від гирла Дунаю і тоді опріснені забруднені води надходять в центральну частину північно-західного району на значну відстань від берега. Таким чином, для акваторій, які зазнають впливу річкового стоку, вплив забруднених річкових вод на функціонування екосистеми північно-західної частини моря залежить від синоптичних ситуацій в регіоні, які забезпечують тривалість і частоту прориву фронтальної зони.

Для акваторій, які не зазнають впливу річкового стоку (Каркінітська затока) структура полів основних океанологічних характеристик зв'язана з особливостями циркуляції вод.

Середньорічна схема переносу поверхневих вод для північно-західної частини моря приведена в розділі 3.9. Вона складена на основі аналізу середньомісячних карт течій, побудованих по масиву вимірів за період 1903-1982 р.р., в ній враховані відомі схеми течій (в тому числі схема І. М. Овчиннікова) і результати аналізу матеріалів експедицій МГІ НАН України [Єремеєв В. М. Латун В. С., Совга О. Є., 2001].

Згідно з наведеною схемою (розділ 3.9.) головний потік Основної чорноморської течії (ОЧТ) рухається від берегів Криму до узбережжя Болгарії вздовж материкового спаду. На схід від мису Херсонес від ОЧТ в поверхневому шарі відділяється відгалуження, яке переносить води відкритого моря на північно-західне мілководдя. При північно-східному типі синоптичних процесів ОЧТ проникає до паралелі 46оп.ш. В Каркінітській затоці при мало вітряній погоді спостерігається антициклонічний круговорот, що посилюється при північно-східному вітрі. Забруднюючі речовини, що надходять у Каркінітську затоку, переносяться прибережними течіями. З північного узбережжя затоки вони виносяться прибережною течією на північний захід, змішуються з водами Одеської затоки і рухаються вздовж берега до Босфору праворуч або ліворуч від фронтальної зони в залежності від солоності. Перенесення забруднюючих речовин, що надходять в Каркінітську затоку з її Південного узбережжя, здійснюється прибережними течіями в Каламітську затоку. Прибережна течія в Каламітській затоці спрямована на південний захід. Омиваючи мис Херсонес, води прибережної течії потрапляють на акваторію, де формуються глибокі антициклонічні вихори, захоплюються ними і переносяться вздовж материкового спаду в південно-західному напрямку. Біля берегів Болгарії ці вихори руйнуються. Над материковим спадом круговий рух проникає до дна і в тонкому придонному шарі передньої частини вихору на периферії антициклону відбувається підйом вод з горизонтів 300-350 м і винесення їх на материкову мілину. Цей природний процес має негативні екологічні наслідки. В водах з означених горизонтів відсутній кисень, і навіть можуть бути невеликі концентрації H2S, потрапляючи на материкову мілину, ці води можуть бути однією з причин виникнення гіпоксії та заморів.

Існує ще один механізм винесення забруднюючих речовин Каркінітської затоки, зв'язаний з процесом формування в холодний період року важких вод і їх субдукційним розповсюдженням за межі затоки. В Каркінітській затоці солоність поверхневого шару вод звичайно дорівнює 18.0-18.2‰, в грудні S>18,2‰ на всій акваторії затоки. Інтенсивне зимове охолодження призводить до розвитку конвективної циркуляції, відтік більш щільних вод з вершини затоки відбувається в придонному шарі. Покидають затоку ці води поблизу мису Тарханкут, із збільшенням глибини моря їхній потік набуває характеру субдукції в проміжному шарі. При незначному розведенні цих вод більш солоними водами відповідного шару, на південний захід від мису Тарханкут, суміш цих вод вже має характеристики вод холодного проміжного шару (ХПШ). Таким чином, частина забруднюючих речовин Каркінітської затоки може потрапляти в ХПШ і переміщатися по морю з водами цього шару.

Отже, дія розглянутих в роботі природнокліматичних чинників: періодичні прориви опріснених забруднених вод через фронтальну зону, інтенсифікація антициклонічних вихрових утворень на спаді глибини, яка сприяє винесенню на мілину глибинної без кисневої води і додаткової кількості біогенних елементів веде до підсилення антропогенного тиску на екосистему північно-західної частини моря. З іншого боку, дія таких природнокліматичних чинників як зимове вихолодження вод в Каркінітській затоці, стійкість фронтальної зони сприяє винесенню забруднюючих речовин за межі акваторії північно-західної частини моря і завдяки цьому можуть зменшувати антропогенний тиск на її екосистему.

Проведені в 3-й частині роботи дослідження показали, що існуючий критичний екологічний стан північно-західної частини моря зумовлений комплексним впливом антропогенних і природнокліматичних чинників.

Четверта заключна частина роботи присвячена вивченню механізмів функціонування екосистеми зони стику “море-суша” (прибережні морські екотони) як складника екосистеми північно-західної частини моря. Прибережний морський екотон - зона стику “море - суша” - це частина шельфу, затоки, лимани, гирла, естуарії входять у структуру екосистеми шельфу. Саме екосистема прибережних морських екотонів перша зазнає впливу всіх берегових джерел забруднюючих речовин. Для оцінки їхнього характеру і обсягів в четвертій частині роботи (розділ 4.1) здійснене районування Чорноморського узбережжя України по видах народно господарського засвоєння. Згідно з проведеним районуванням в межах чорноморського узбережжя України виділені три типи засвоєння: сільськогосподарське, включаючи зрошувальне землеробство; промислово-комунальні агломерації і райони інтенсивного рекреаційного засвоєння [Беляєв В.І., Дорогунцов С.І., Совга О.Є., Ніколаєнко Т.С.,2001].

Визначені основні підходи до математичного моделювання геохімічних процесів в морському прибережному екотоні (розділ 4.2) [В.І.Беляєв, О.Є.Совга, 1993]. Забруднюючі речовини, що надходять в екосистеми прибережного екотону, здійснюють міграцію, розбавлення і концентрування шляхом впливу на них трьох основних видів процесів: фізичних (без зміни складу забруднюючих речовин), фізико-хімічних (з повною зміною складу забруднюючих речовини), біологічних (з включенням забруднюючих речовин в трофічний цикл).

В відповідності з цими уявленнями, побудована схема (розділ 4.2) кругообігу речовин природного і антропогенного походження в екосистемі прибережного екотону.

В четвертій частині роботи (розділ 4.3) сформульовані вимоги, яким повинні відповідати моніторингові системи для контролю якості водного середовища зон стику море - суша. Вони включають обов'язкове районування прибережної акваторії по видах антропогенних навантажень з виділенням районів, що зазнають і не зазнають впливу річкового стоку, з обов'язковим визначенням обсягів біогенних елементів, як тих, які надходять з зовнішніх джерел, так і всередині системи з донних відкладів [Єремеєв В.М.,Совга О.Є.,1999].

Враховуючи підсилення евтрофікації прибережних екосистем в нинішній час, особлива увага в моніторингових системах зон стику “море-суша” повинна бути приділена кругообігу біогенних елементів на межі поділу: джерела на суші® вода® зважені речовини® жива органічна речовина® мертва органічна речовина® донні відклади® вода.

Завершується четверта частина роботи розділом 4.4, в якому приведені методичні рекомендації по створенню спостережного екологічного полігону в гирлі р. Дунай -о. Зміїний.

Методичні рекомендації призначені для організації спостережного полігону за виносами р. Дунай. Виконання дослідних робіт на полігоні, створення системи екологічного моніторингу являють собою вклад України в міжнародні програми по охороні Чорного моря в контексті існуючих конвекцій, декларацій і міждержавних угод.

На тлі складних природних процесів спостережний полігон, особливо його фронтальні зони і гирла річок, є об'єктами інтенсивного антропогенного впливу. Це і скиди промислових і господарсько-побутових стічних вод, ґрунтів, радіоактивних відходів, скиди від судноплавства (річкові судна і судна типу ріка-море), зрошувальних систем і стоки сільськогосподарських угідь.

Створення системи екологічного моніторингу на базі полігону може в подальшому стати основою для екологічно орієнтованих пропозицій по забезпеченню проведення в регіоні природоохоронних заходів.

Даний розділ роботи є практичним застосуванням для конкретного географічного регіону тих фундаментальних результатів по механізмах функціонування екосистеми північно-західної частини Чорного моря, включаючи методичні розробки, зв'язані з особливостями екологічних досліджень в зоні стику море -суша.

ВИСНОВКИ

1. В роботі вивчені механізми функціонування двох чорноморських екосистем - екосистеми глибинної сірководневої зони та екосистеми північно-західної частини моря та на конкретних океанологічних параметрах показаний їх взаємний вплив при врахуванні мінливості антропогенних і природнокліматичних чинників.

Встановлено, що сучасний екологічний стан північно-західної частини моря, і ступінь його впливу на функціонування екосистем відкритого моря, визначаються як рівнем антропогенних навантажень, так і низкою природнокліматичних чинників, що можуть або посилювати цей вплив, або його послаблювати. Здійснені прогнозні оцінки еволюції досліджуваних екосистем на основі застосування сучасних засобів математичного моделювання.

Наведені в роботі результати дозволяють встановити залежності механізмів функціонування морських екосистем від мінливості природнокліматичних і антропогенних чинників. Виявлення таких залежностей є необхідним при вирішенні однієї з проблем сучасної регіональної океанології - встановлення причин деградації шельфових екосистем.

2. Показано, що особливості функціонування екосистеми глибинної сірководневої зони визначаються інтенсивністю протилежно спрямованих процесів сульфат редукції та окислення H2S, кінцевими і проміжними продуктами яких є мало вивчені неорганічні форми сірки (SO42-, S2O32-, S0зваж.S0полісульф.). Закономірності вертикального і просторового їх розподілу встановлені на отриманому вперше значному експериментальному матеріалі.

3. На основі вивчення гідрохімічної структури зони контакту аеробних і анаеробних вод, при докладній (через 5 метрів по вертикалі) зйомці цієї зони по розподілу неорганічних форм сірки, що досліджуються, отримане підтвердження одночасності протікання в цій зоні протилежно спрямованих процесів: сульфат редукції і окислення відновлених форм сірки.

4. Запропонована та експериментально підтверджена .гіпотеза про мікробіологічну природу глибинного каламутного шару вод в Чорному морі. Встановлено, що утворення на межі аеробних і анаеробних вод глибинного каламутного шару вод (ГКШ), є специфічною особливістю екосистеми сірководневої зони Чорного моря. Експедиційними дослідженнями автора встановлено, що ГКШ містить, окрім бактеріальної біомаси, неорганічні продукти життєдіяльності бактерій (MnO2, So). Показано, що структура ГКШ, його географічне положення можуть служити індикатором знаходження верхньої межі сірководневої зони і дослідження цього шару повинні стати необхідною складовою екологічного моніторингу глибинної частини моря.

5. Вперше для глибоководної частини Чорного моря оцінені потоки мінеральних форм азоту (NH4+,NO3-,NO2-) з урахуванням надходжень від зовнішніх джерел і процесів обміну між шарами вод (поверхневий, глибинний і придонний) в морі. Показано, що серед зовнішніх джерел цих форм азоту на атмосферні опади припадає 26.5%, переважною формою в них є амонійна.

6. Розроблена математична модель екосистеми сірководневої зони, в основу якої покладене поняття про зону як бактеріальну екосистему, яка функціонує на основі біогеохімічних циклів сірки та азоту. Здійснена параметризація процесів, що протікають в екосистемі сірководневої зони і зв'язані з трансформацією неорганічних форм сірки та включені в її математичну модель. Розроблена модель дозволяє здійснювати прогноз стану екосистеми зони як при зміні антропогенних навантажень ( збільшення потоку С орг з фотичної зони, залпові викиди метану при можливих аваріях, на глибинному газопроводі) так і при зміні природних факторів( слабке ендогенне джерело метану на дні моря). Показана можливість використання розробленої моделі для вивчення динаміки явищ гіпоксії та заморів, що періодично виникають в північно-західній частині моря.

7. Екологічний стан екосистеми північно-західного району Чорного моря оцінений при врахуванні щорічних обсягів антропогенних забруднюючих речовин, що надходять з узбережжя, гідродинамічної ситуації та синоптичної обстановки в регіоні, що дозволило врахувати мінливість антропогенних і природнокліматичних чинників. Дослідження механізмів функціонування екосистеми північно-західної частини Чорного моря показало, що посилення антропогенних навантажень в останні десятиріччя істотно відбилося на мінливості основних параметрів екосистеми (кисневий режим, сезонна мінливість рСО2, потоки біогенних елементів, особливості деструкції органічної зваженої і розчиненої речовини).

8. Вперше для екосистеми північно-західної частини моря розроблені схеми кругообігів двох важливих біогенних елементів (азоту і фосфору) і на їхньому прикладі показана багатолітня мінливість потоків цих елементів на всіх поверхнях поділу. При врахуванні сезонної мінливості водообміну між північно-західною частиною моря і відкритим морем розраховані потоки азоту і фосфору в відкриту частину моря. На основі порівняння потоків азоту з північно-західної частини моря в відкрите море з аналогічними потоками фосфору, робиться висновок про роль процесів бактеріальної денітрифікації в зменшенні азотної евтрофікації моря. Оцінені додаткові кількості органічної речовини, які можуть утворитися в екосистемі відкритої частини моря в результаті надходжень біогенних азоту і фосфору з північно-західної його частини та за рахунок біогенного азоту, що поступає з атмосферними опадами над відкритим морем.

9.Показано, що для екосистеми північно-західної частини моря дія природнокліматичних чинників: періодичні прориви опріснених забруднених вод через фронтальну зону, інтенсифікація антициклонічних вихрових утворень на спаді глибини, які сприяють винесенню на мілководдя глибинної без кисневої води і додаткової кількості біогенних елементів, веде до підсилення антропогенного тиску на екосистему північно-західної частини моря. З іншого боку, такі природнокліматичні чинники як зимове вихолоджування вод в Каркінітській затоці, стійкість фронтальної зони сприяють винесенню забруднюючих речовин за межі акваторії північно-західної частини моря і завдяки цьому можуть зменшувати антропогенний тиск на її екосистему.

10. Показано, що механізми функціонування екосистем мілководної північно-західної частини моря та сучасний критичний екологічний стан її визначаються комплексним впливом антропогенних і природнокліматичних чинників. Механізми функціонування екосистеми глибинної сірководневої зони, в більшій мірі, визначаються мінливістю природнокліматичних чинників.

11. Проведено районування чорноморського узбережжя України в залежності від виду господарської діяльності (комунально-промислові агломерації, включаючи великі міста і морські порти, райони сільськогосподарського засвоєння і курортно-рекреаційні зони) з урахуванням конкретних величин рівнів антропогенних навантажень на зони контакту море-суша.

12. Вивчені механізми функціонування екосистем зони стику море - суша (прибережні морські екотони) та сформульовані вимоги, яким повинні відповідати моніторингові системи для контролю якості водного середовища морських прибережних екотонів. Для акваторії гирло р. Дунай - о. Зміїний розроблені методичні рекомендації по створенню спостережного екологічного полігону.

СПИСОК ОСНОВНИХ РОБІТ , ЩО ОПУБЛІКУВАЛИСЯ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Моделирование геохимических процессов в морском прибрежном экотоне /Беляев В.И., Совга Е.Е., Худошина М.Ю., Соловьева Н.В., Березовский А.А., Богуславский С.Г., Любарцев В.Г., Терещенко В.А.,Афонин Е.И.,Крашенинников Б.Н. / Под редакцией В.И. Беляева и Е.Е. Совга. -Киев: Наукова думка, 1993.- 239 с.

2. Совга Е.Е., Маньковский В.И., , Прохоренко Ю.А., Чепурнова Э.А. Природа глубинного мутного слоя вод в Черном море// ДАН УССР, сер.Б. -1987.- № 6.- С.32-35.

3. Новоселов А.А., Совга Е.Е., Фащук Д.Я., Хомутов С.М., Шереметьева А.И.Сравнительная оценка йодометрического и фотометрического методов определения сероводорода в слое его сосуществования с кислородом в Черном море//Океанология. -1987.- Т.27, вып.3.- С. 414-417.

4. Совга Е.Е., Соловьева Л.В. Тиосульфаты в водах Черного моря// ДАН СССР.- 1987.- Т.297, № 4.- С. 969-972.

5. Беляєв В.І., Єремеєв В.М., Богуславський С.Г., Совга О.Є. Дослідження динаміки сірководневої зони Чорного моря в 37-му рейсі НДС “Акад. Вернадський”// Вісник АН УРСР.- 1989.- № 4.- С. 53-57.

6.Совга Е.Е., Еремеева Л.В., Соловьева Л.В. Геохимические особенности трансформации неорганических форм серы в толще вод Черного моря // Геохимия.- 1989.- № 11.- С.1648-1655.

7. Беляев В.И., Совга Е.Е. Сероводород в Черном море не взорвется //Вестник АН СССР.- 1991.- № 10.- С. 47-57.

8. Беляев В.И., Совга Е.Е. Математическая модель экосистемы сероводородной зоны Черного моря // Морской гидрофизический журнал - 1991.- № 6.- С. 42-54.

9. Совга Е.Е., Еремеева Л.В., Соловьева Л.В. Новые данные по вертикальному распределению тиосульфатов и молекулярной серы в водах Черного моря // ДАН Украины, сер. Б.- 1992.- № 3.- С. 86-88.

10. Беляев В.И., Совга Е.Е., Любарцева С.П. Модельная оценка распределения сульфатов в экосистеме сероводородной зоны Черного моря //Доклады АН Украины,- 1994.- № 7.- С. 117-119.

11. Belyaev V.I., Sovga E.E., Ljubartseva S.P. Modelling the hydrogen sulphide zone of the Black Sea // Ecological modelling, -1997.-96,- Р. 51-56.

12. Богуславский С.Г., Жоров В.А., Совга Е.Е., Иващенко И.К. Особенности океанологических процессов северо-западной части Черного моря// Морской гидрофизический журнал.- 1997.- № 5.- С. 35-41.

13. Беляев В.И., Совга Е.Е., Любарцева С.П. Моделирование придонной гипоксии и возникновения сероводородных линз на северо-западном шельфе Черного моря // Доповіді НАН України, - 1997.- № 4.- С.117-121.

14.Совга Е.Е. Жоров В.А. Анализ основных классов соединений растворенного органического вещества морской воды и их поведение в эстуариях рек и прибрежных зонах моря// Морской гидрофизический журнал.- 1998.- № 2.- С. 56-61.

15. Совга Е.Е., Жоров В.А., Богуславский С.Г. Основные закономерности процессов седиментации взвешенного органического вещества в мелководных зонах морей умеренных широт// Морской гидрофизический журнал.- 1998.- №6.- С. 60-64.

16. Совга Е.Е., Жоров В.А., Богуславский С.Г. Многолетняя изменчивость потоков фосфора в северо-западной части Черного моря//Морской гидрофизический журнал.- 2000.- № 4.- С. 69-79.

17. Беляев В.И., Дорогунцов С.И., Совга Е.Е., Николаенко Т.С. Оценка уровня антропогенных нагрузок на прибрежные зоны и экотоны Черноморского побережья Украины// Морской гидрофизический журнал.- 2001.- № 1. -С. 55-63.

18. Еремеев В.Н., Латун В.С, Совга Е.Е. Влияние антропогенных загрязнителей и путей их переноса на экологическую обстановку в северо-западном районе Черного моря //Морской гидрофизический журнал. -2001. -№ 5.- С. 41-55.

19.Беляев В.И., Давыдова Е.П., Совга Е.Е., Оценка вклада различных факторов в кислородный баланс северо-западного шельфа Черного моря по результатам моделирования // Комплексные исследования Черного моря. -Севастополь: МГИ АН УССР, 1984.- С. 26-31.

20.Беляев В.И., Совга Е.Е. Геохимическая модель сероводородной зоны Черного моря и ее математическое представление// Процессы формирования и внутригодовой изменчивости гидрофизических и гидрохимических полей Черного моря.- Севастополь: МГИ АН УССР,1988.- С.75-83.

21. Совга Е.Е., Еремеева Л.В., Соловьева Л.В. Геохимия неорганических форм серы в толще вод Черного моря // Комплексные океанографические исследования Черного моря. -Севастополь: МГИ АН УССР, 1990.- С. 138-147.

22. Совга Е.Е., Жоров В.А. Особенности деструкции органического вещества естественного происхождения в шельфовых районах моря и эстуариях рек // Комплексные экологические исследования Черного моря.-Севастополь: МГИ НАН Украины,1995.-С.104-110.

23.Еремеев В.Н.,Совга Е.Е. Методологические аспекты проведения экологических исследований в зоне сопряжения "суша-море"// Системы контроля окружающей среды.- Севастополь: МГИ НАН Украины, 1999.- С. 198-204.

24. Еремеев В.Н., Совга Е.Е. Черноморский сероводород: геохимические особенности поведения, источники, формы нахождения, динамика и тенденции изменчивости// Геология и полезные ископаемые Черного моря.-Киев.: Ин-т прикладных проблем экологии, геофизики и геохимии,1999.-С.54-60.

25.Совга Е.Е., Любарцева С.П. Использование математического моделирования для прогноза состояния экосистемы сероводородной зоны Черного моря при реализации технических проектов // Системы контроля окружающей среды.- Севастополь.: МГИ НАН Украины, 2000.- С. 363-368.

26. Совга Е.Е., Богуславский С.Г., Жоров В.А. Потоки азота в северо-западной части Черного моря//Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа (Памяти акад. В.И.Беляева посвящается).- Севастополь.: МГИ НАН Украины,2001.-С.88-97.

27. Совга Е.Е., Жоров В.А., Богуславский С.Г., Сидень В.П. Потоки минеральных форм азота в Черном море // Экологическая безопасность прибрежных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа (Памяти Л.А. Ковешникова )- Севастополь.: МГИ НАН Украины,2001.- С.112-123.

28. Совга Е.Е., Любарцева С.П. Модельная оценка экологических последствий аварийных ситуаций на глубинном газопроводе в восточной части Черного моря // Системы контроля окружающей среды. -Севастополь, МГИ НАН Украины, 2002.- С.339--344.

29. Выполнение эколого-геологических, гидрогеохимических и гидробиологических исследований на наблюдательном полигоне устье р. Дунай - о. Змеиный (временные методические рекомендации)/Юровский Ю.Г., Совга Е.Е., Латун В.С., Резник В.А., А.Ю. Митропольский, В.А.Жоров, Чухчин В.Д. Симферополь.: УкрГИМР, 1997.- 112с.

30. Belyaev V.I., Sovga E.E. Mathematical model for the ecosystem of the Black Sea hydrogen sulphide zone.// Sov. J. Phys. Oceanogr. - 1992.- v.3, N 6.- Р. 455-470.

31. Boguslavsky S.G., Zhorov V.A., Sovga E.E., Ivashchenko I.K. Paculiariation of oceanographic processes in the north-western Black Sea.//J. Physical Oceanogr. - 1998.- v.9, No 5.- Р. 347-352.

Размещено на Allbest.ru