УДК 504.064 анализ суточной динамики абиотических факторов

УДК 504.064
АНАЛИЗ СУТОЧНОЙ ДИНАМИКИ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ МАЛЫХ РЕК
(НА ПРИМЕРЕ р. ВЫНЯ)1
Н.В. Лагутина, Т.Г. Орлова
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Условия окружающей среды, определяющие рост и развитие биотических
сообществ, принято называть абиотическими факторами. Наибольшее значение для
обитателей рек среди них имеют освещенность и прозрачность, температура и солевой
состав воды. Все эти факторы в той или иной степени сказываются на процессе
фотосинтеза, а он является жизненным фактором биоты, и в результате все это
отражается на состоянии водного объекта. Например, локальная мгновенная
интенсивность фотосинтеза задается как произведение трех функций [1]:
Ф  R  F ( I )  T (t )  P( c ) ,
(1)
где R- коэффициент; F(I) - функция интенсивности солнечной коротковолновой
радиации; T(t) - функция температуры воды; P(c) - функция концентрации фосфора в
воде.
Для фитопланктона и фитоперифитона наиболее часто используется локальная
зависимость вида [1]
aI
A
a
F
,
,
(2)
2
IM
aI 

1 

2A 

где I - локальная мгновенная интенсивность ФАР; A, IМ - эмпирические параметры.
Для функции I  I 0  Exp(   z ) осредненное по глубине H(x) значение F
представляется в виде
 I 
 I  Exp[  H ( x)]  
2 
  ,
F ( x)    Arctg 0   Arctg  0
(3)

 
2I M
 2I M 


где H(x) - зависимость глубины реки по ее ширине; I0 - интенсивность ФАР под
поверхностью воды.
Далее вышеприведенная зависимость усредняется по объему интегрированием по х
в пределах длины левого (LL) и правого (LP) берега
LP
1
F
F ( x)dx .
(4)
LL  LP LL
Эта зависимость используется для расчета продуктивности фитопланктона.
Для фитоперифитонных сообществ требуется усреднить солнечную радиацию,
доходящую до дна реки
LP
aI 0  Exp(  H ( x))
1
F
dx /
(5)
LL  LP LL  aI 0  Exp(  H ( x) 
1 

2A


Наиболее универсальная полуэмпирическая функция температурной зависимости
имеет вид:
1
Математические модели контроля загрязнения воды. М.: Мир, 1981. 471 с.
   T t
 T t 
  Exp K 1   MA
T (t )   MA
   TMA  TOPT
 TMA  TMI 
 
K 2  Ln(Q10 )  (TMA  TOPT ) ,
K

  
  ,

  
(6)
2
K  0.25 * 10  2  ( K 2 ) 2  1  1  40 / K 2 .
Формула полностью определяется тремя параметрами - минимальной ( TMI ),
максимальной ( TMA ) и оптимальной ( TOPT ) температурами.
Существует много формул для определения зависимости фотосинтеза от
содержания питательных элементов, но наиболее простой является формула:
 c
,
(7)
P( c ) 
1   c
где  - эмпирический параметр; с - концентрация фосфора в воде.
Все вышеприведенные зависимости имеют эмпирические параметры и
коэффициенты, характерные для конкретного водного объекта. К тому же многие виды
водной биоты имеют малые жизненные циклы, поэтому суточные изменения параметров
абиотических факторов играют серьезную роль в жизни этих организмов.
Все вышеизложенное и определило цель данных исследований, а именно детальное
изучение теплового режима приземного слоя воздуха и воды, а также гидрохимического
и кислородного режима. Дополнительно проводились замеры прямой солнечной
коротковолновой радиации и освещенности под поверхностью воды на разных глубинах.
Параллельно велись наблюдения за метеорологическими параметрами на специально
организованной метеоплощадке в 3 км от места наблюдения на р. Выня.
Река Выня является водоисточником для мелиоративной системы ОПУ «Лесное».
Замеры на реке проводились у насосной станции в д. Думичи. Точки наблюдений были
расположены по всей ширине реки.
Рис.1. Схема места проведения суточных замеров на р. Выня, 1991 г.
Выявив важнейшие факторы, которые влияют на жизнь водных систем, приходим к
выводу, что нужно выполнять следующие виды работ.
Каждый час:
1) со всех точек снимать показания термометров (max, min, сp);
2) со всех точек отбирать пробы на кислород.
Каждые три часа:
1) отбирать пробы на гидрохимию;
2) «сбивать» показания термометров.
Для выполнения этих видов работ достаточно трех человек:
первый снимает показания термометров и в нужное время сбивает их;
второй отбирает пробы на гидрохимию, пробы на кислород и фиксирует их;
третий обрабатывает пробы на кислород.
Дополнительная работа, например отбор проб кислорода по глубине или
гидробиологические работы, автоматически ведет к увеличению численности бригады.
После анализа полученных результатов можно сделать выводы, о том, что
повышение температуры воды приводит к увеличению содержания растворенного
кислорода. Максимумы данных параметров приходятся на 1500 и 2100 ч.
Несмотря на систематические отборы образцов воды на гидрохимический анализ,
результаты показали, что все изменения концентраций химических элементов в суточном
разрезе лежат в пределах точности измерения. Существенно во времени меняется лишь
содержание кислорода.
Проведя наблюдения в 1991 г., было решено в 1992 г. провести более детальные
исследования на р. Выня.
Плановое расположение точек приведено на рис. 2. На шести створах реки,
отстоящих друг от друга на 5-10 м, располагалось по три (на створе 4 – четыре) точки, на
которых велись наблюдения за тепловым и кислородным режимами на протяжении трех
суток. Кроме того, имелось десять точек на мелководье (глубина до 10 см), на которых
измерялась температура воды. Замеры проводились каждый час. Рядом были
оборудованы метеоплощадка и химическая лаборатория. Имелась портативная
электростанция для обеспечения освещения, питания приборов и зарядки аккумулятора.
Рис.2 Схема места проведения суточных замеров на р.Выня, 1992 г.
Измеряемые параметры, аналогичны 1991 г. Кроме того, проводились измерения
солнечной радиации по глубине и температуры прибрежной зоны. Все параметры
снимались с двух глубин (с поверхности и дна).
Прямая и рассеянная солнечная коротковолновая радиация, падающая на водную
поверхность, частично отражается ею и поглощается самым верхним слоем. Остальная
радиация проникает в воду, где также рассеивается и поглощается взвешенными и
растворенными веществами, а также перифитоном и фитопланктоном.
График выполнения наблюдений был скорректирован в соответствии с
поставленной задачей, и теперь выполнялась следующие виды работ:
Каждый час:
1) со всех точек снимать показания термометров (max, min, сp);
2) проводить замеры метеопараметров на метеоплощадке у реки;
3) проводить наблюдения за солнечной радиацией (с 600 до 1800).
Каждые 2 часа:
1) отбирать пробы воды на кислород.
Каждые три часа:
2) «сбивать» показания термометров.
Проба воды на проведение полного гидрохимического анализа отбиралась один раз
в день в 1200, а определение температур прибрежной мелководной зоны проводилось в
1100, 2100 и 600. Для выполнения этих видов работ также достаточно трех человек, как и в
первом случае.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
Независимо от створа реки и глубины максимум температур приходится на 1900–2100
ч. Температура воды у поверхности и дна отличается незначительно, т.к. глубина в точках
замера незначительна. В течение одного часа температура по берегам реки практически
не меняется. Минимум температур в прибрежной зоне приходится на 6 часов утра,
максимум на всех точках сечения – на 1600 – 1500 ч.
Серьезная разница содержания кислорода у поверхности и дна не наблюдается, хотя
у поверхности воды немного выше, чем у дна. Пики температуры воды и содержания
кислорода по времени совпадают.
При безоблачном небе максимум солнечной коротковолновой радиации приходится
на полдень (12 ч дня) по местному времени. Однако при наличии облачности эта
закономерность может нарушаться, а временной ход солнечной радиации может
существенно отличаться от его хода при безоблачном небе. Суточный ход температур
воздуха сдвинут относительно суточного хода радиации на 3 часа.
Синхронные данные по температурам воздуха на метеоплощадке базы (в 3 км от
реки) и температурам воздуха у реки позволяют сделать следующий вывод, что во
временном ходе температур на метеоплощадке базы максимумы, как и должно быть,
сдвинуты на три часа. Экстремум температур воздуха у реки приходится приблизительно
на шесть часов.
По полученным данным была построена линейная регрессия связи между
температурами воздуха у реки и температурами воздуха на удаленной от реки
метеоплощадке. Теоретически полученное уравнение
tвр = 0,888tм + 4,83
можно использовать в практических расчетах теплового режима по реке Выня.
Известно, что освещенность изменяется по глубине примерно по
экспоненциальному закону. Однако параметры экспоненты сложным образом зависят от
качества воды. Для исследования процессов поглощения солнечной радиации под водой
был изготовлен специальный прибор, позволяющий проводить непосредственные замеры
под водой. Результаты наблюдений позволяют подтвердить уже известное положение об
экспоненциальном законе убывания солнечной радиации по глубине.