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. doi:10.29039/2413-5577-2023-2-71-90

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. doi:10.29039/2413-5577-2023-2-71-90

DOI

10.29039/2413-5577-2023-2-71-90

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)