Реальная экосистема водного объекта представляет собой сложную структуру взаимодействия органических веществ и растворенного кислорода с живыми организмами.
Происходящие в настоящее время увеличение объёмов промышленного производства, сброс производственных отходов и загрязняющих веществ в водоемы резко увеличивают нагрузку на естественные экосистемы. Следствием растущего антропогенного воздействия на природу, аномальных климатических изменений, естественного старения водного объекта являются риски нарушения естественной жизнедеятельности в экосистеме водного объекта, возникновения необратимых отрицательных изменений водной экосистемы, процессов эвтрофикации водоемов – перенасыщения водоема биогенами, что влечет за собой быстрый рост фитопланктона. Экосистема мелководного водоема имеет сложную структуру, в рамках которой происходят взаимодействия органических и неорганических веществ с живыми организмами. Среди всех гидрохимических параметров, влияющих на биологическую продуктивность Азовского моря, особое место отводят растворенному кислороду – источнику дыхания гидробионтов и фактору, определяющему полноту и скорость минерализации органических веществ в водоеме. Особенностью кислородного режима Азовского моря является его нестабильность, которая определяется рядом постоянных и сезонных факторов: поглощением атмосферного кислорода поверхностным слоем воды, неравномерным притоком речных и черноморских вод, развитием и затуханием жизнедеятельности организмов, циркуляционными процессами, определяющими возможности проникновения кислорода в придонные слои, и другими процессами [1–2].
Концентрация растворенного кислорода в морской воде зависит от нескольких факторов, основными из которых являются: газообмен между водой и атмосферой; интенсивность процесса фотосинтеза; процесс бактериального и химического окисления метаболитов морских организмов, остатков отмерших организмов растительного и животного происхождения; интенсивность конвективного перемешивания и поступление обедненных кислородом вод; адвекция водных масс, биохимическое потребление кислорода донными отложениями [3].
Летом в условиях плотностной стратификации возникает усиленное снижение концентрации кислорода в придонных горизонтах Азовского моря (в отдельных районах до 60 %). Ведущими факторами формирования кислородного режима в поверхностных водах являются главным образом продукционные процессы, в придонных – биохимическое разложение донных отложений [4–5]. Принимая во внимание процессы вертикальной турбулентной диффузии в стратифицированных водоемах, кислород в процессе инвазии попадает в нижние слои. Цель настоящей работы состоит в проверке влияния гидродинамических условий на изменение концентрации растворенного кислорода в придонном слое мелководного водоема.
Описание измерительной базы. Маршрут экспедиции
Экспедиция с целью проведения научно-исследовательских работ в акватории Азовского моря «Денеб» (далее НИС «Денеб») Южного научного центра РАН (далее ЮНЦ РАН). Исследования проводились на 17 станциях в восточной части Азовского моря (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Научно-исследовательские работы в Азовском море (июль 2017 г.): а) маршрут экспедиции; б) НИС «Денеб»
Оборудование НИС «Денеб»: гидрологический CDT-зонд SEACAT SBE19; регистратор течений RCM 9LW; узколучевой параметрический профилограф SES-2000 light (Innomar Technologie GmbH); гравитационная грунтовая трубка 13,540 B с возможностью установления поршневой системы (Piston/Gravity corer Model 13,540 B); автоматический проточный анализатор San++ с сэмплером SA1100, вмещающим 2×50 позиций для образцов; глубоководный пробоотборный комплекс карусельного типа; оборудование НИС «Денеб» для гидробиологических и литологических исследований: батометры Молчанова и Нискина для отбора проб воды; дночерпатели Петерсена и Ван-Виина для отбора донных отложений; бентосная драга; планктонные сети Апштейна и Джеди для отбора проб планктона; икорная сеть для отбора проб ихтиопланктона; набор сетей и драг для проведения ихтиологических исследований; грунтовая прямоточная трубка с возможностью взятия колонки осадков 2–2,5 м.
Целью экспедиционных работ являлось получение систематической информации влияния химических и физических свойств воды на экологическое состояние акватории Азовского моря. В ходе экспедиции выполнен отбор проб, проведен анализ состава воды, представлен обзор программы наблюдений за качеством морских вод, включавшей следующие мероприятия: определение концентрации нефтяных углеводородов, растворенного кислорода, водородного показателя, хлорированных углеводородов, тяжелых металлов, фенолов и др.
Оборудование НИС «Денеб» для ихтиологических исследований: донный бимтрал; пелагический распорный трал (28 м по горизонтали, 8 м по вертикали); гидрофизический зонд SBE19 plus; датчик растворенного кислорода SBE43; ПК (персональный компьютер) с программным обеспечением для подключения гидрофизических зондов; батометры 3 л и 5 л; комплектное оборудование для измерения концентрации кислорода методом Винклера; профилограф (ADCP) WHS 600.
Содержание выполненных экспедиционных работ
Экспедиционные работы проводились с целью получения систематической информации влияния химических и физических свойств воды на экологическое состояние акватории Азовского моря. Программа наблюдений за качеством морских вод состояла в следующем. Была найдена концентрация нефтяных углеводородов, мг/дм3 (мг/л); растворенного кислорода, мг/дм3 (мг/л, %); водородного показателя рН; хлорированных углеводородов, в том числе пестицидов, мкг/дм3 (мкг/л); тяжелых металлов, мкг/дм3 (мкг/л); фенолов, мкг/дм3 (мкг/л); других веществ, мкг/дм3 (мкг/л). Были выявлены показатели содержания биогенных веществ, свойственных для района проведения экспедиции: нитритного азота, мкг/дм3 (мкг/л); кремния, мкг/дм3 (мкг/л); солености воды, %; температуры воды и воздуха, °С; скорости и направления ветра, м/с; прозрачности воды (единицы цветности); волнения моря (баллы); проведение визуальных наблюдений за состоянием поверхности морского водного объекта.
Измерение пульсаций вектора скоростей водного потока
При моделировании полей течений водного потока мелководных водоемов возникает проблема параметризации коэффициента турбулентного обмена. От турбулентного перемешивания во многом зависит способность водоема к самоочищению, турбулентный обмен влияет на транспорт наносов и взвешенных веществ и на интенсивность деформации донной поверхности [6–7].
В ходе экспедиции были получены данные о пульсациях скоростей в некоторых точках мелководных систем на основе зонда ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) WHS600 Sentinel. ADCP-профилограф был зафиксирован на свободной поверхности водоема, измерения проводились от свободной поверхности до дна. Работа профилографа основана на доплеровском эффекте. Из значений лучевых скоростей вычисляют пульсации компонент скорости 
.
В ходе работы был выполнен отбор батометрических проб, проведены анализы состава воды. Представлена таблица с измеренными значениями концентрации растворенного кислорода в горизонтах исследуемого водоема на станциях, входящих в маршрут движения судна.
Концентрация растворенного кислорода в Азовском море
|
№ станции |
Координаты станции |
Измеренные значения растворенного кислорода |
|||
|
1(49) |
46 ° 39, 569' N 37 ° 20, 743' E |
глубина, м |
0 |
4 |
11,5 |
|
О2, мг/л |
9,02 |
8,53 |
5,32 |
||
|
2(48’) |
46 °29,725' N 36 °59,786' E |
глубина, м |
0 |
6 |
12 |
|
О2, мг/л |
12,69 |
13,03 |
0,66 |
||
|
3(44’) |
46 ° 19, 693' N 36 ° 59, 683' E |
глубина, м |
0 |
6 |
12 |
|
О2, мг/л |
5,75 |
4,94 |
0,61 |
||
|
12(42) |
45 ° 59, 906' N 37 ° 20, 128' E |
глубина, м |
0 |
5,5 |
11 |
|
О2, мг/л |
9,21 |
9,87 |
1,41 |
||
Коэффициент вертикальной турбулентной вязкости
Проведенные натурные эксперименты, в том числе измерение пульсации скоростей водного потока, позволяют при построении математических моделей учитывать коэффициент вертикального турбулентного обмена, неоднородный по глубине. Результаты, наиболее близкие к экспериментальным натурным данным, получены с помощью параметризации О.М. Белоцерковского [8].
Если вертикальное разрешение расчетной сетки позволяет воспроизвести все механизмы моделируемого процесса до масштабов вязкой диссипации очень мелких вихрей, то для расчета турбулентности используют уравнения Навье – Стокса и находят путем численного моделирования [3, 8]. Скорость диссипации может быть представлена как
где 
– осредненный тензор скоростей деформации: 
Выражение для турбулентной вязкости имеет вид
где Cs – константа, значение которой зависит от однородной изотропной турбулентности. Значение константы Cs должно гарантировать соответствие результатов моделирования с экспериментальными измерениями. Значения константы Cs в ряде случаев изменяются от 0,1 до 0,2, при течении на канале до случая изотропной турбулентности соответственно.
Если размер сетки достаточно мал, то 
равна средней скорости деформации в параметризации Прандтля D, что позволяет перейти к аналогу Прандтля в виде
пренебрегая градиентами 
, 
, 
, имеем равенство
.
Численный расчет коэффициента вертикальной турбулентной вязкости
Были выполнены численные эксперименты на основе описанных выше подходов для всех точек, 
в которых проводились натурные измерения в ходе экспедиционных работ (рис. 2).
Рис. 2. Коэффициент вертикального турбулентного обмена в точках 1, 2, 3, 12, по горизонтали – значения в м2/с, по вертикали – уровень воды от свободной поверхности ко дну
Было изучено влияние изменения значений коэффициента вертикального турбулентного обмена на содержание растворенного кислорода в придонном слое мелководного водоема [1, 3]. Анализ результатов моделирования процессов гидрофизики в Азовском море показал, что наибольшему значению коэффициента вертикального турбулентного обмена соответствует наибольшая концентрация растворенного кислорода в придонном слое Азовского моря (точка 12), наименьшему значению концентрации растворенного кислорода (точка 3) соответствует наименьшее значение. На глубине около и более трех метров значения данного коэффициента близки к 0, что означает пониженный турбулентный обмен по вертикали в указанной области и объясняет отсутствие кислорода в придонном слое центрально-восточной части Азовского моря.
Выводы
В ходе экспедиционных исследований Азовского моря были получены значения концентраций растворенного кислорода и данные о пульсациях скоростей водного потока в некоторых точках водоема с помощью зонда ADCP WHS600 Sentinel. Обнаружены участки с низким содержанием растворенного кислорода в придонном слое.
Получено соответствие результатов расчетов на основе статистических данных о поле скоростей водного потока и подсеточной модели Смагоринского [9] с данными натурных измерений. Изучено влияние изменения значений коэффициента вертикального турбулентного обмена на содержание растворенного кислорода в придонном слое мелководного водоема.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН I.33П, проект № 0256-2015-0078.