Введение к работе
Актуальность работы. В- комплексе мероприятий, принимаемых нашей стране по охране водних ресурсов и их защите от загряэ-еиия, большая роль принадлежит системе мониторинга качества пс-ерхностішх вод суш, необходимой для получения информации, яв-япцейся основой для принятия решений по предотвращению нежела-олышх последствий и оптимизации управления состоянием водних объектов.
В настоящее время контроль качества поверхностных вод осу-іествляется примерно в четырех тысячах пунктов по физическим и имичесхим показателям и в тысяче пунктов по гидробиологический юказателям, охватывая более 2000 водішх объектов на территория ССР. Однако, как отмечалось на У Всесоюзном гидрологическом лье аде в Ленинграде, среди направлений совершенствования системы контроля состояния поверхностных-вод первое место занимает штимизация размещения пунктов наблюдений и частоты отбора проб, гго требует проведения теоретических и экспериментальных иссле-деваний водішх систем.
В проблеме охраны и рационального использования природной зреды на современном этапе важной задачей является разработка іаучно-методических основ системы наблвдоний за загрязнеішем товерхностных вод суши. Это направление является наиболее акту-ільнцм по мнению О.А.Алокина (1984), который отмечает необходимость исследований пространствешю-временных изменений состава зод по годам, сезонам, суткам, изучение однородности химического состава воды по акватории, глубине или по территории бассейна.
Существущая сеть наблюдений в настоящее время не позволяет получать достаточно репрезентативную информацию для отдельных водных объектов, на что указывалось в целом ряде работ В.Л.Павол-ко (1972, 1981), А.М.Никанорова (I98G), А.М.Никанорова и В.В.Цир-кунова (1989) и других.
Оптимизация системы наблюдений долана включать в себя учит пространственно-временной неоднородности состава вод на каждом водном объекте, что требует проведения исследований пространственно-временных закономерностей распределения состава вод.
В настоящее время наиболее изученной областью пространственно-временной динамики состава вод являются ыакронеоднород-
ности, связанные с ыежгодовой и сезонной изменчивостью гидрологической структуры водохранилищ (Буторин, 1969; Ершова, 1971; Эдельштейн, 1983). Однако, для решения задач мониторинга необходимо изучение закономерностей от внутрисезонной до суточной динамики неодродностей, охватывапдей широкий диапазон пространственных масштабов.
Проведенный . автором (Тушинский, 1987) анализ состояния изученности этих проблем как в нашей стране, так и за рубежом показал, что исследования, проводимые в этом направлении, в большинстве случаев, носят характер поиска статистических связей и не отражают природу возникновения и трансформации разномасштабных пространственно-временных неоднородностей, что, несомненно, затрудняет использование таких результатов в решении практических задач, связанных с оптимизацией системы наблюдениі и контроля загрязнения водных объектов - основной задачей мониторинга водных систем.
В связи с этим возникла острая необходимость исследования закономерностей формирования и распределения пространственно-временных неоднородностей состава вод. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение'таких закономерностей1 позволит использовать их в решении задач, связанных с оптимизацией контроля загрязнения водоемов и созданием репрезентативної сети наблюдений.
Цели и задачи работы. Основными целями выполненного исследования являлись: разработка теоретической модели формирования пространственно-временных неоднородностей состава вод на основе представлений о разномасштабной изменчивости параметров качества воды; выявление основных процессов, определящих трансформацию неоднородностей; экспериментальное подтверждение основных теоретических положений; разработка методов оптимизации систем наблхдений за качеством воды для контроля загрязнения водоёмов в рамках мониторинга водных систем.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
I) на основании обзора результатов опубликованных исследований и наблвдений автора выявить характер пространственной и временной изменчивости, а также основные факторы, влиящие не динамику состава поверхностных вод;
-
обосновать комплекс натурних экспериментальных исследо-ваїшй для изучения пространственно-временно!! изменчивости гид- -рохпмических полой, разработать методику и провести наблюдения;
-
изучить динамику пространственно-временных неодпород-ностой распределения кинетической энергии водоемов как основного фактора образования неоднородностей полей качества вода и загрязнения;
-
изучить пространственно-временную динамику неоднородностей состава вод в диапазоне маситабов от нескольких часов до суток и сезонов года и от нескольких десятков метров до десятков километров, вплоть до размеров акватории водохранилищ;
-
разработать обобщенную схему и обосновать структуру колебаний показателей качества воды и их трансформащш в водоемах;
G) разработать методику оценки частоты наблвдений во времени для разномасштабных временных неоднородностей состава вод и обосновать методику расчета распределения пространственных неоднородностей состава вод в водохрашілицах.
Методика исследований. В основу работы положены прежде всего материалы исследований автора на Можайском, Угличском, Рыбинском и Шекснинокомводохранилищах, а также на кашле им.Москвы (включая водораздельную систему водохранилищ) и Волго-Балтийском канале, выполненные в 1975-1987 гг., а также данные по Яузскому, Иваньковскому вдхр. и верховьям Волги, собранные сотрудниками Гидрохимического отдела и экспедиции гаографическо-го факультета МГУ и обработанные автором. Были также использованы и обработаны автором дашше из литературных источников, крупномасштабные лоцманские карты исследуемых водохранилищ.
Для сбора данных на протяженных участках водных объектов автором били организованы экспериментальные исследования, заключавшиеся в квазисинхрошшх съёмках водоёмов (с продолжительностью, не превышенией период изучаемой изменчивости) и заключавшихся в измерении ряда физико-химических показателей и отборе проб. Аналитические определения осуществлялись сотрудниками Гидрохимического отдела.
При анализе и обработке данных использовался метод спектрального анализа, модифицированный автором для расчетов информативности наблюдений, а также метод кластерного анализа, алго-
ритм которого разработан в Гидрохимическом отделе под руковод-.ством автора.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые фор-. шрование пространственно-временных неоднородностей состава вод рассматривается как сложный ыногофакторный процесс, обусловленный разномасштабной структурой колебаний соответствующих характеристик.
Разработана методика комплексных исследований формирования и трансформации пространственно-временных неоднородностей на основе анализа спектральной структуры колебаний и распределешш однородных по составу воды зон.
Экспериментально установлено и обосновано теоретически влияние морфометрических особенностей водоемов на процессы трансформации кинетической энергии водохранилищ и распределение пространственных неоднородностей состава вод. На этом основании разработана методика выделения потенциально однородных зон в водохранилищах.
Практическое значение работы. Исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ географического факультета МГУ в рамках программ, утвержденных Советом Министров СССР и ГКНТ СССР (Разработать принципы и пути управления формированием качества воды на основе изучения основных гидрологических, физико-химических и биологических процессов; Разработать научные основы управления! качеством воды сложных водохозяйственных систем в условиях зарегулированного стока и различной интенсивности антропогенного воздействия на водосборный бассейн; Разработать принципы оптимизации наблвдений, методы и средства автоматизированных наблвдений и контроля на водных объе; тах), где нашли отражение, в виде соответствующих разделов, результаты исследований и разработки автора по проблеме динамики пространственно-временных неоднородностей качества воды и рекомендации по методикам оптимизации систем наблюдений.
Часть работ выполнялась автором по планам хоздоговорных работ: "Исследование пространственно-временной неоднородности гидрохимических полей с целью разработки методов расчета системы наблюдений СТСНК" (с Гидрохимическим институтом Госкомгидро-мета); "Разработать.методики оценки интенсивности продукционно-
;эструкциогашх процессов для контроля состояния водных объек-'ови (с Гидрохимическим институтом), которые приняты Заказчя- > :ом с полояитольными оценками. Кроме того, автор принимал уча-)гие в выполнении ряда других договоров Гидрохимической экспо-сиции, в которых ому принадлежат прикладные разработки по проб-гамам оптимизации систем наблюдений на ряде водных объектов ис-очшіков централизованного хозяйственно-питьевого водоснабке-ия г.Москвы.
Разработанные автором пологения о структуре пространствен-[о-временних неоднородноотей качества вода и методах оптимиза-сш систем наблюдений включены в программу спецкурсов "Методи інализа и контроля природной среды", "Введение в мониторинг", -'Наблюдения и обработка геоинформации" для студентов кафедры >ацаоналыюго природопользования географического факультета МГУ. 'езультаты исследований используются в читаемом автором разделах яда спегкурсов, а также курса лекций "Проблемы экологического юниторинга" на географическом и биологическом потоках спац.от-іоления по переподготовке кадров по новим перспективным напраз-[ОІШЯМ пауки "Экология и повишоние эффективности использования [риродннх ресурсов".
Предмет запиты состоит в том, что в диссертации разработа-ш теоретические и методические основы обоснования систем паодвівшій за качеством води для контроля загрязнения на основа уточ-[ония понятия пространственно-временных нооднородпостей состава юд, образупцахся под влиянием трансформации кинетической энер-ии водоемом. Данное положение является одним из частных случа-IB описания единого процесса обмена веществом и энергией в оле-;энтах географической оболочки.
Основное внимание в работа автор уделил изучению маоштаб-юй структуры пространственно-временных неоднородноотей, что юзволило:
установить ведущие процессы и выявить закономерности кЗразования неоднородноотей состава вод;
разработать методику определения потенциально опасных юн загрязнения в водоемах;
Разработать методики оптимизации систем наблюдений во іремени (по частото) и в пространстве (по дискретности и рас-
положению точек контроля качества вода).
Проведенное исследование направлено на решение палшой народно-хозяйственной проблемы рационального использования водных ресурсов путем использования полученных результатов в качестве научно-методической основы оптимизации мониторинга водных систем.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях "Современные проблемы и методы географических исследования" (Москва, МГУ, 1975, 1977 гг.); У и УІ Всесоюзных совещаниях по круговороту вещества и энергии в водоемах (Лиственичное на Байкале, 1981, 1986 гг.); Всесоюзном семинаре-симпозиуме "Пространственно-временные структуры гидрофизических и гидрохимических характеристик моря" (Таллинн, 1981); 2-ом Международном симпозиуме по геохимии природных вод (Ростов-на-Дону, 1982); Всесоюзной конференции "Проблемы экологии Прибайкалья" (Иркутск, 1982); конференции "Гидрологические исследования и водное хозяйство в бассейне р.Москвы"(Москва, 1983); 2-ой Всесоюзной конференции "Динамика и термика водохранилищ и эстуариев" (Москва,1984); УП Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам'прогнозирования и контроля качества воды и озонирования (Таллинн,1985); Ш Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы"(Ташкент, 1985); У Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1986); ХХУШ и XXIX Всесоюзных гидрохимических совещаниях (Ростов-на-Дону, 1934, 1987); расширением научном семинаре Лаборатории качества вод ПИ (Ленинград, 1988); научном семинаре Отдела водных проблем Карельского филиала АН СССР (Петрозаводск, 1988); научном семинаре кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ, заседании кафодры рационального природопользования этого факультета . (Москва, 1989).
Объем работы.Диссертацая состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 296 страниц машинописного текста, 1Э8 иллюстраций и 42 таблицы. Список литературы состоит из 273 наименований. Во введении даётся общая характеристика работы.
- 7 - '