Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Географические науки
Географическая экология

Диссертационная работа:

Кузьмина Татьяна Витальевна. Влияние гидродинамических процессов в экосистеме озера Байкал на качество глубинных вод : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.36.- Чита, 2003.- 140 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2628-6

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 3

Глава 1. Взаимосвязь биологических и физико-химических процессов в

водных экосистемах. (Обзор литературы) 12

  1. Физико-химические и географические особенности озера Байкал... 12

  2. Динамика фитопланктона Байкала 18

  3. Распределение фитопланктона, как показатель физических

изменений в морской экосистеме 29

1.4. Качество глубинных вод и особенности их водозабора 37

Вывод из обзора литературы и постановка задачи исследования 45

Глава 2. Изучение влияния гидродинамических факторов

на устойчивость экосистемы Байкала 47

2.1. Турбулентное перемешивание глубинных вод и скорость

вертикального водообмена 47

2.2. Поверхностное распределение компонентов экосистемы -

горизонтальный «пэтчинг» 52

  1. Гидродинамическое лимитирование в экосистеме Байкала, двухслойная модель глубокого озера 60

  2. Влияние климатической изменчивости на продуцирование крупного фитопланктона 75.

Выводы главы 2 83

Глава 3. Влияние турбулентного перемешивания вод на сезонную

динамику фитопланктона 84

3.1. Гидродинамическое объяснение сезонной динамики

фитопланктона 84

  1. Сопоставления результатов моделирования с натурными наблюдениями 88

  2. Зависимость коэффициента ослабления света от концентрации фитопланктона 95

  3. Изменение коэффициента ослабления света в зависимости от сезонной и межгодовой динамики фитопланктона 99

Выводы главы 3 103

Глава 4. Применение полученных результатов для рационального

использования природных ресурсов озера Байкал 104

4.1.Определение качества вод по гидробиологическим показателям. 104

4.2. Влияние оседающего планктона на качество глубинных вод ПО

4.3 Особенности схемы водозабора глубинных вод

на Северном Байкале 117

Выводы главы 4 122

Заключение 123

Литература 125

Приложение 1 139

Приложение 2 140

Введение к работе:

Актуальность темы: Нет особой необходимости говорить о значении наличия запасов пресной воды данного региона или страны в целом, поскольку вода является одним из важнейших природных богатств, ценнейшим ресурсом, без которого невозможна жизнь человека. В настоящее время 2/3 населения земного шара страдает от дефицита или загрязнения воды.. Затруднения в обеспечении питьевой водой населения ведут к росту заболеваемости, дефицит воды сказывается на производстве сельхоз продукции и сдерживает развитие промышленного производства. Есть все основания считать, что в ближайшее 50 лет доступная для населения чистая питьевая вода будет сосредоточена в Байкале, т.е. воды Байкала могут стать единственным источником питьевой биологически активной воды для всего населения России (Павлов, 1995). Запасы вод Байкала составляют свыше четверти объема хозяйственно ценных пресноводных вод земного шара и отличаются к тому же очень высоким качеством. Озеро Байкал является не только уникальным хранилищем пресной воды, но и эндемичных видов флоры и фауны, уникальным природным и культурным памятником. Воды Байкала это национальное достояние России, от сохранения которого зависит не только экономическое развитие, но и само существования населения страны. Поэтому необходимо обобщить и систематизировать многолетние результаты исследований на Байкале, которые имеют отношения к проблеме научно-обоснованного и рационального использования ресурсов озера как источника высококачественной питьевой воды.

Развитие лимнологии на современном этапе связано с решением ряда задач рационального использования и охраны озерных вод. Изучение гидродинамических процессов дает возможность познания физической основы режима глубокого рифтового озера.

Огромная экониша таких озер, не является однородной, существенно различаясь в своих частях (прибрежные и открытые воды, поверхностные и глубинные слои и др.). Эта первичная расчлененность водной среды предопределяет сложную структуру всего биоценоза. Познаем мы ее достаточно традиционным, но на данном этапе незаменимым методом систематических наблюдений за «динамикой» различных показателей, так называемых основных компонентов экосистемы. При этом обнаруживаются сложные внутривидовые дифференциации ее главных конечных звеньев.

В процессе изучения явлений, протекающих в водоеме необходимо рассматривать водоем как единое целое. Основной частью экологической системы водоемов являются биологические, вспомогательной - химические, а обеспечивающей - физические процессы. В настоящее время с распространением энергетического принципа в изучении круговорота вещества и энергии, трофических связей и продуктивности экологических систем, получена возможность количественно охарактеризовать не только биологические процессы и их следствия, но и «общую функцию жизни водоема» (Stelle,1976; Винберг,1967).

Для прогнозирования качества вод необходимы детальные сведения о процессах, происходящих в водоеме, и в первую очередь о течениях и турбулентности. Сбор этих сведений экспериментальным путем часто связан с большими экономическими затратами, поэтому наиболее эффективным для решения таких задач является метод математического моделирования.

Байкал - одно из наиболее хорошо изученных озер мира. Многие параметры экосистемы, если не подавляющее большинство, описаны и изучены при долговременных наблюдениях. Благодаря этому стали известны общие закономерности изменчивости процессов, происходящих в экосистеме этого озера. Необходимость изучения климатических особенностей озера Байкал и прилегающих к нему регионов обусловлена растущими запросами народного

хозяйства в связи с задачей хозяйственного освоения и экономического развития этого огромного региона, с обеспечением охраны его природы. В 1996 году комиссия ЮНЭСКО внесла озеро Байкал в список участков мирового наследия. Это признание исключительной ценности - то, что мы должны передать будущим поколениям. Поэтому охрана природных ресурсов озера Байкал является приоритетной задачей всего мирового сообй{"Ш>.Я. ^Проблемами нашего времени являются возможные изменения в экосистемах озер, обусловленные глобальными изменениями климата Земли и локальными антропогенными воздействиями. Перспективность оценки различных сценариев основаны естественным образом на априорных моделях. Достоверность, которых существенно повышается при использовании ретроспективной информации о состоянии экосистем и влиянии на них глобальных климатических и внешних антропогенных условий. Антропогенное вмешательство в экосистемы крупнейших пресноводных водоемов связано с возможностью необратимых последствий для ныне живущих и будущих поколений, что находится в противоречии с устойчивым экономическим развитием.

Глубочайший пресноводный водоем мира во многих аспектах похож на океан. Существенное влияние на распределение параметров экосистемы, как и в океанах, оказывает турбулентное движение вод. Сходство с морем проявляется в существенном влиянии действия атмосферных процессов на перемещение водных масс. Рельеф дна и очертание берегов, горизонтальная и вертикальная структура течений способствуют сравнению экосистемы озера с океаном (Шишмарев, 1986). Значительное сходство процессов круговорота органических веществ и соединений биогенных элементов с их круговоротом в морях и океанах обусловлено большими глубинами Байкала (Во-тинцев,1965). По влиянию гидрофизических параметров на распределение биологических видов экосистема Байкала ближе к океанической, нежели к

экосистеме «обычного», т.е. небольшого озера. Вероятно, специфические гидродинамические процессы глубокого озера оказывают более сильное воздействие на структуру его экосистемы, чем климатические изменения.

Среди научных проблем, решаемых в рамках мероприятий по охране природы оз. Байкал в последние 15-20 лет, изучение первичной продукции занимает значительное место (Кожова,1993). Это представляет несомненный интерес как для познания биологии продуктивности, так и для выяснения способности к биологическому самоочищению крупнейшего по запасу пресноводного озера мира. Научные и практические вопросы обоснования и разработки системы комплексного мониторинга состояния Байкала привлекают в наше время внимание специалистов, занимающихся проблемами оценки и предотвращения нежелательных антропогенных воздействий на экосистему озера и экосистемы Прибайкалья и Забайкалья. Поэтому влияние гидродинамики Байкала на сезонные и межгодовые распределения планктона является в настоящее время одной из актуальных проблем байкаловеде-ния.

Важнейшей составной частью экосистемы озера являются происходящие в озерах физические и, в частности, гидродинамические процессы, такие как волновые и турбулентные движения, циркуляция и перемешивание вод, вихри, апвеллинги, фронты, определяющие распространение и трансформацию химических и биологических полей в озере. Описанию гидродинамических процессов в озерах посвящена обширная литература (Сокольников, 1964; Филатов, 1991; Акопян и др. 1982). Многие годы в изучении динамики озерных вод имелось два направления, одно из которых математическое моделирование природных процессов (Филатов, 1991; Акопян и др. 1982; Айн-бунд ММ. 1988), другое - основанное на анализе данных наблюдений (Шер-стянкин,1964; Филатов, 1991; Акопян и др. 1982). Исследование гидрофизических процессов - турбулентности, циркуляции Ленгмюра, внутренних

волн, течений широко поставлено на Великих Американских озерах, озере Байкал, Ладожского и Онежского озерах (Филатов, 1991).

Исследование изменчивости в экосистемах пресноводных водоемов мира интересует в настоящее время не только ученых, но и самые широкие слои общества в мире. Питьевая вода, существенным источником которой являются пресноводные озера - один из важнейших ресурсов человечества. Озеро Байкал является основным источником пресной питьевой воды в регионе Сибири и Дальнего Востока. Механизм, динамика и условия формирования качества воды в водоемах до сих пор концентрировалось на температуре как основном факторе. Однако проведенные исследования глубоких рифтових озер Байкала и Ньясы (Верхозина, 2002) показали, что основное значение для формирования качества воды в этих озерах имеют гидродинамические процессы.

Актуальность исследовательских работ в данном направлении обусловлена не только самостоятельным научным значением для развития теории формирования качества пресных вод, но и важными техническими применениями, связанными с вопросами рационального использования вод озера Байкал.

Основной целью диссертационной работы является разработка прогнозной модели, которая позволила бы учитывать влияние сезонной динамики фитопланктона на качество глубинных вод озера Байкал и создание экологически надежной технологической схемы водозабора.

Идея работы заключается в установлении взаимосвязи сезонной и межгодовой динамики фитопланктона с гидродинамическими свойствами вод озера Байкал и разработке комплекса научно обоснованных рекомендаций по организации водозабора, позволяющих выполнить детальный анализ предполагаемых изменений компонентов водной среды еще на стадии проектирования.

Методы исследования представляют комплекс методик, которые включают проведение теоретического анализа, статистической и корреляционной обработки рядов многолетних наблюдений распределения биомассы фито- и бактериопланктона озера Байкал в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые разработана модель, позволяющая объяснить особенности пространственного распределения биомассы фитопланктона озера Байкал и прогнозировать изменения качества глубинных вод.

Впервые, на основе математического моделирования, получена эмпирическая зависимость между прозрачностью глубинных вод и биомассой крупного фитопланктона. Предложен экспресс- метод, позволяющий рассчитать биомассу фитопланктона по измеренному значению прозрачности и оценить качество воды.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Межгодовые вариации распределения численности и биомассы крупного фитопланктона озера Байкал обусловлены гидродинамическими особенностями глубокого рифтового озера и связаны с межгодовыми климатическими изменениями региона.

2. Разработанная модель оседания крупного фитопланктона в глубинные слои, качественно и количественно достоверно описывает динамику фитопланктона озера Байкал.

3. Прозрачность глубинных вод озера отражает распределение фитопланктона и носит сезонный характер, а ее изменение связано с гидродинамическими свойствами Байкала.

Практическая значимость:

  1. Показано, что распределение биомассы в толще воды носит сезонный характер. Этот факт необходимо учитывать при проектировании водозабора (места и глубины) и разработке Регламента подготовки воды при бу-тилировании или питьевом водоснабжении

  2. Обоснована целесообразность и возможность изменения схемы водозабора питьевой воды, что позволит сэкономить затраты на сооружения трубопровода в размере 38 млн. рублей.

  3. Предложенный экспресс метод определения биомассы фитопланктона по измеренному значению прозрачности воды, может быть использован в санитарно-промышленных лабораториях на водозаборах.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена комплексом применяемых современных методов теоретических исследований и их корреляцией с достаточным объемом натурных наблюдений, а также подтверждена актами о возможности внедрения результатов исследований ЗАО «Исток» и ОАО «Байкальские воды» при заборе глубинной питьевой воды. Личный вклад соискателя заключается:

в разработке математической модели оседания фитопланктона и в проведении теоретического анализа его пространственного распределения.

в статистической и корреляционной обработке результатов многолетних наблюдений и создание прогнозной модели влияния сезонной динамики фитопланктона на качество глубинных вод озера Байкал;

в предложении экспресс- метода определения качества воды, основанного на расчете зависимости биомассы фитопланктона от измеряемого значения прозрачности воды.

в обосновании рациональной схемы забора питьевой воды; Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях Читинского

технического университета (Чита 1993- 2002 г.г.), на научном семинаре Энергетического института при ЧГТУ (Чита 2001 г), а также на семинаре кафедры теоретической физики ИГУ (Иркутск 1999г).

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 150 наименований и содержит 140 листов машинописного текста, 2 таблицы, 29 рисунков и 2 приложения.

Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете и в институте геохимии СО РАН.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору физико-математических наук Куснеру Ю.С, кандидату биологических наук Верхозиной В.И., доктору биологических наук Поповской Г.И., доктору технических наук Заслоновскому В.Н., за руководство, поддержку и квалифицированные консультации при выполнении диссертационной работы.

Подобные работы
Верхозина Валентина Александровна
Формирование качества пресных вод крупнейших рифтовых озер мира и их рациональное использование (На примере озер Байкал и Ньяса)
Хорошавин Виталий Юрьевич
Техногенная трансформация гидрологического режима и качества вод малых рек в пределах нефтегазовых месторождений бассейна Пура
Черепанова Татьяна Васильевна
Геоэкологическая оценка водообеспечения и формирования качества вод в субъекте Российской Федерации с целью их поэтапного улучшения :На примере Читинской области
Гаврилов Сергей Вадимович
Оценка качества воды с применением ЯМР-спектроскопии при геоэкологическом мониторинге природно-технических систем
Носаль Андрей Павлович
Геоэкологические проблемы управления качеством вод и их решение на основе системы регионального нормирования воздействия на водные объекты
Зеленова Мария Сергеевна
Формирование стока и качества вод реки в современных климатических условиях
Рахуба Александр Владимирович
Пространственно-временная изменчивость качества вод Саратовского водохранилища в условиях неустановившегося гидродинамического режима
Гагарина Ольга Вячеславовна
Анализ временной динамики и пространственной изменчивости качества поверхностных вод Удмуртии
Волкова Ксения Рифовна
Восстановление качества поверхностных вод, загрязненных в результате аварийных сбросов растворенными нефтепродуктами
Самарина Вера Петровна
Формирование качества поверхностных вод природно-хозяйственной системы (На примере Оскольского горно-металлургического промышленного комплекса)

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net