Численное моделирование динамики окислительно-восстановительных условий на границе вода – донные отложения в Севастопольской бухте

Ю. С. Гурова1, *, Е. В. Якушев2, 3, А. В. Березина2, 3, М. О. Новиков2, К. И. Гуров1, Н. А. Орехова1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия

3 Norwegian Institute for Water Research, Oslo, Norway

* e-mail: kurinnaya-jul@yandex.ru

Аннотация

Цель работы – оценка изменчивости характеристик окислительно-восстановительных условий в водной толще и поверхностном слое отложений при изменяющейся антропогенной нагрузке с использованием данных натурных наблюдений и результатов численного моделирования на примере Севастопольской бухты. Выполнен комплексный анализ химических характеристик водной толщи и поровых вод, а также геохимических характеристик донных отложений. Подтверждено, что происходит установленное ранее нарушение естественного гидрохимического режима, связанное с цветением фитопланктона в летнее время и расположением в акватории бухты большого количества ливневых и коммунальных стоков. Несмотря на насыщение придонного слоя вод кислородом (94–113 % нас.), в верхнем слое донных отложений зафиксированы субкислородные условия. Это объясняется преобладанием мелкозернистой фракции и высоким содержанием органического углерода. Математические расчеты выполнялись с помощью одномерной бентосно-пелагической модели Bottom RedOx Model (BROM). С использованием данных натурных наблюдений проведена валидация результатов численного моделирования. Полученные результаты показали, что модель воспроизводит естественный сезонный ход гидрохимических параметров, связанный с цветением фитопланктона, появлением высоких концентраций органического вещества и его окислением растворенным кислородом. Для оценки последствий поступления различного количества органического вещества в акваторию бухты были проведены два численных эксперимента с уменьшением и увеличением его концентрации. Установлено, что увеличение нагрузки на акваторию бухты приводит к снижению концентрации кислорода (до 12 мкМ) и развитию анаэробных условий в придонном слое вод. Сокращение поступления органического вещества способствует формированию аэробных условий в водной толще и придонном слое вод. Однако для донных отложений, с учетом уровня накопленного в них избыточного органического вещества, подобного снижения нагрузки недостаточно. В поровых водах все еще происходит интенсивное потребление кислорода и нитратов и образуются восстановленные формы железа и марганца.

Ключевые слова

донные отложения, поровые воды, кислород, органический углерод, моделирование, Черное море, Севастопольская бухта, модель BROM

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № FNNN-2021-0005 «Прибрежные исследования» и государственного задания ФГБУН ИО РАН № FMWE-2021-0001, при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения № 075-15-2021-946, а также при поддержке грантов РФФИ № 20-35-90103 и РНФ № 21-17-00191. Авторы выражают благодарность д-ру физ.-мат. наук А. И. Кубрякову за предоставленные результаты расчета гидрофизических характеристик, полученные с помощью модели POM.

Для цитирования

Численное моделирование динамики окислительно-восстановительных условий на границе вода – донные отложения в Севастопольской бухте / Ю. С. Гурова [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 2. С. 71–90. EDN RIPXZQ.

Gurova, Yu.S., Yakushev, E.V., Berezina, A.V., Novikov, M.O., Gurov, K.I. and Orekhova, N.A., 2023. Numerical Modelling of RedOx Condition Dynamics at the Water-Sediment Interface in Sevastopol Bay. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (2), pp. 71–90.

Список литературы

  1. Брянцев В. А., Литвиненко Н. М., Себах Л. К. Антропогенные воздействия на экосистему Черного моря (результаты природоохранных исследований ЮгНИРО в последнее десятилетие) // Труды ЮгНИРО. 1997. Т. 43. С. 16–27.
  2. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сульфиды в донных отложениях прибрежных районов Севастопольского региона Крыма // Океанология. 2018. Т. 58, № 5. С. 739–750. EDN XWVHWX. doi:10.1134/S0030157418050106
  3. Reactive transport in surface sediments. II. Media: An object-oriented problem-solving environment for early diagenesis / F. J. R. Meysman [et al.] // Computers and Geosciences. 2003. Vol. 29, iss. 3. P. 301−318. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(03)00007-4
  4. Оценка состояния карбонатной системы вод и изменения содержания органического углерода в донных осадках Севастопольской бухты по данным наблюдений за 1998 – 2005 годы / О. Г. Игнатьева [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 2. С. 57−66. EDN YORKBV. doi:10.1007/s11110-008-9010-x
  5. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В. А. Иванов [и др.]. Севастополь : МГИ НАНУ, 2006. 90 с. URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/gidrologo-gidrohimicheskij_rezhim_sevastopolskoj_buhty_2006.pdf (дата обращения: 10.05.2023).
  6. Орехова Н. А., Вареник А. В. Современный гидрохимический режим Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 2. С. 134–146. EDN YNHCQP. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-134-146
  7. Гуров К. И., Котельянец Е. А. Распределение Cr, Сu, Ni, Pb, Zn, Sr, Ti, Mn, Fе в донных отложениях Севастопольской бухты (Черное море) // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 5. С. 512–529. EDN IOYNEZ. doi:10.22449/0233-7584-2022-5-512-529
  8. Свищев С. В., Коновалов С. К., Кондратьев С. И. Закономерности сезонных изменений содержания и распределения кислорода в водах Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 4. С. 64–78. EDN TMJXAB. doi:10.1007/s11110-011-9122-6
  9. Моисеенко О. Г., Орехова Н. А. Исследование механизма многолетней эволюции цикла углерода в экосистеме Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 2. С. 72–83. EDN TMJWVV. doi:10.1007/s11110-011-9111-9
  10. Орехова Н. А., Медведев Е. В., Коновалов С. К. Характеристики карбонатной системы вод Севастопольской бухты в 2009–2015 гг. // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 3. С. 40–51. EDN WNAFTF. doi:10.22449/1573-160X-2016-3-36-46
  11. Овсяный Е. И., Романов А. С., Игнатьева О. Г. Распределение тяжелых металлов в поверхностном слое донных осадков Севастопольской бухты (Черное море) // Морской экологический журнал. 2003. № 2. С. 85–93. EDN UCBJFH.
  12. Влияние физико-химических характеристик донных осадков на распределение микроэлементов на примере бухт Севастополя (Черное море) / А. С. Романов [и др.] // Экология моря. 2007. Вып. 73. С. 85–90. EDN UKFFBD.
  13. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Полярография донных осадков Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 2. С. 52–66. EDN VJFPQN. doi:10.1007/s11110-009-9038-6
  14. Соловьёва О. В., Тихонова Е. А. Динамика содержания органического вещества в донных отложениях портовых акваторий Севастополя // Ученые записки Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского. Биология. Химия. 2018. Т. 4, № 4. С. 196–206. EDN YTABLV. URL: http://sn-biolchem.cfuv.ru/wp-content/uploads/2018/12/ilovepdf_com-196-206.pdf (дата обращения: 10.05.2023).
  15. Содержание хлорорганических соединений в компонентах экосистемы реки Черной и оценка их выноса в Севастопольскую бухту в зимний сезон 2020 года / Л. В. Малахова [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2020. № 5. С. 7–14. EDN IRQJBF. doi:10.17513/mjpfi.13061
  16. Орехова Н. А., Коновалов С. К., Медведев Е. В. Особенности регионального баланса неорганического углерода морских экосистем в условиях антропогенной нагрузки // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 3. С. 248–260. EDN ZOODIE. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-248-260
  17. Analysis of the water column oxic/anoxic interface in the Black and Baltic seas with a numerical model / E. V. Yakushev [et al.] // Marine Chemistry. 2007. Vol. 107, iss. 3. P. 388–410. doi:10.1016/j.marchem.2007.06.003
  18. Interannual variability of the Black Sea Proper oxygen and nutrients regime: The role of climatic and anthropogenic forcing / S. Pakhomova [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2014. Vol. 140. P. 134–145. doi:10.1016/j.ecss.2013.10.006
  19. Кубряков А. И. Применение технологии вложенных сеток при создании системы мониторинга гидрофизических полей в прибрежных районах Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2004. Вып. 11. С. 31–50. EDN ZQUASP.
  20. Михайлова Э. Н., Шапиро Н. Б. Моделирование циркуляции и пространственной структуры термохалинных полей в Севастопольской бухте с учетом реальных внешних данных // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 2. С. 60–76. EDN YUFBYT.
  21. Математическое моделирование ветрового волнения в Севастопольской бухте / Д. В. Алексеев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 1. С. 75–84. EDN TGLDOV.
  22. Белокопытов В. Н., Кубряков А. И., Пряхина С. Ф. Моделирование распространения загрязняющей примеси в Севастопольской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 5–15. EDN VVXROK. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-5-15.
  23. Рябцев Ю. Н., Лемешко Е. М. Моделирование распространения загрязнений Севастопольской бухты для задач комплексного экологического мониторинга // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2014. Вып. 28. С. 165–171. EDN VBFSTP.
  24. Современное состояние и тенденции изменения экосистемы Севастопольской бухты / Е. В. Павлова [и др.] // Акватория и берега Севастополя: экосистемные процессы и услуги обществу. Севастополь : Аквавита, 1999. С. 70–94. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/5248 (дата обращения: 15.05.2023).
  25. Основные источники загрязнения морской среды севастопольского региона / Е. И. Овсяный [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2001. Вып. 2. С. 138–152. EDN KQOLRV.
  26. Осадчая Т. С., Алёмов С. В., Шадрина Т. В. Экологическое качество донных осадков Севастопольской бухты: ретроспектива и современное состояние // Экология моря. 2004. Вып. 66. С. 82–87. EDN UNYDGN.
  27. Минкина Н. И., Самышев Э. З., Копытов Ю. П. Многолетние изменения уровня загрязнения и развития планктона в Севастопольской бухте // Системы контроля окружающей среды. 2015. № 1. С. 82–93. EDN VRDASZ.
  28. Совга Е. Е., Мезенцева И. В., Хмара Т. В. Моделирование сезонной изменчивости гидродинамического режима Севастопольской бухты и оценки самоочистительной способности ее экосистемы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 110–123. EDN AWWRHN. doi:10.48612/fpg/92ge-ahz6-n2pt
  29. Берсенева Г. П., Геворгиз Н. С. Изменчивость концентрации хлорофилла и феофитина в фитопланктоне Севастопольской бухты за период 2000–2001 гг. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003. Вып. 8. С. 90–97. EDN VXHYCW.
  30. Еремеев В. Н., Коновалов С. К., Романов А. С. Особенности распределения кислорода и сероводорода в водах Черного моря в осенне-зимний период // Морской гидрофизический журнал. 1997. № 4. С. 32–46.
  31. Weiss R. F. The solubility of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 721–735. doi:10.1016/0011-7471(70)90037-9
  32. Brendel P. J., Luther III G. W. Development of a gold amalgam voltammetric microelectrode for the determination of dissolved Fe, Mn, O2, and S(-II) in pore waters of marine and fresh water sediments // Environmental Science and Technology. 1995. Vol. 29, iss. 3. P. 751–761. doi:10.1021/es00003a024
  33. Simultaneous measurement of O2, Mn, Fe, I –, and S ( –II) in marine pore waters with a Solid-State voltammetric microelectrode / G. W. Luther III [et al.] // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43, iss. 2. P. 325–333. doi:10.4319/lo.1998.43.2.0325
  34. Забегаев И. А., Шульгин В. Ф., Орехова Н. А. Применение инструментальных методов анализа донных отложений для экологического мониторинга морских экосистем // Ученые записки Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского. Биология. Химия. 2021. Т. 7, № 4. С. 242–254. EDN ZRWWTI.
  35. Bottom RedOx Model (BROM v.1.1): a coupled benthic–pelagic model for simulation of water and sediment biogeochemistry / E. V. Yakushev [et al.] // Geoscientific Model Development. 2017. Vol. 10, iss. 1. P. 453–482. doi:10.5194/gmd-10-453-2017
  36. Understanding the biogeochemical impacts of fish farms using a benthic-pelagic model / E. V. Yakushev [et al.] // Water. 2020. Vol. 12, iss. 9. 2384. doi:10.3390/w12092384
  37. Black Sea biogeochemistry: Response to decadal atmospheric variability during 1960– 2000 inferred from numerical modeling / Y. He [et al.] // Marine Environmental Research. 2012. Vol. 77. P. 90–102. doi:10.1016/j.marenvres.2012.02.007
  38. Mixing in the Black Sea detected from the temporal and spatial variability of oxygen and sulfide – Argo float observations and numerical modelling / E. V. Stanev [et al.] // Biogeosciences. 2014. Vol. 11, iss. 20. P. 5707–5732. doi:10.5194/bg-11-5707-2014
  39. Importance of the different manganese species in the formation of water column redox zones: Observations and modeling / E. V. Yakushev [et al.] // Marine Chemistry. 2009. Vol. 117, iss. 1–4. P. 59–70. doi:10.1016/j.marchem.2009.09.007

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.