Астраханцева О.Ю.   Чудненко К.В.  

Геолого-геохимическая модель "Оз. Байкал - потоки" - основа для перехода на новую технологию переработки накопленного фонда эмпирических данных по озеру Байкал и его потокам

Докладчик: Астраханцева О.Ю.

Разработка и использование методов, дающих новую информацию, позволяющую повысить эффективность управления в экологии является одной из основных задач науки информатики. Объект нашего исследования – система “оз. Байкал – окружающая среда (потоки)”, включающая совокупность геохимических процессов взаимодействия вод озера и внешних входящих и выходящих потоков, приводящих к установлению стационарного состояния мегасистемы в целом в течение исторически значимого интервала времени. По оз. Байкал и впадающим в него потокам (рекам, взвесям речных вод, подземным водам, минеральным водам, дождю, снегу, аэрозолям) накоплен большой эмпирический материал, который нуждается в осмыслении, обработке и систематизации, т.е. в превращении его в информацию для последующего моделирования информационных процессов. Федеральный Закон “Об охране озера Байкал” определил Байкальский район как природную территорию, требующую особых мер по охране природы и экологизации природопользования для сохранения экосистемы озера. Разработка научно обоснованных, современных информационных и правовых методов регулирования рационального природопользования водного объекта “Оз. Байкал” может быть наиболее эффективной лишь с учетом всех современных научных знаний о состоянии и эволюции геологической среды. Однако физико-химическое направление исследования геологических результатов взаимодействия в системе “воды оз. Байкал – окружающая среда (потоки)”, причин и условий протекания процессов минералообразования, природы и пути химического развития оз. Байкал как системы “вода – порода – газ – органическое вещество” было упущено. Неизвестны количественные соотношения основных составляющих рассматриваемой системы, разнообразие их состава, Р–Т – параметры, регулирующие характер геохимической среды, которая, в свою очередь, определяет разнообразие вторичных образований и геохимические типы вод. В результате реакций взаимодействия вод оз. Байкал с веществом потоков постоянно образуются новые соединения – возникает тот или иной, равновесный с раствором, вторичный продукт. Установление характера существующего равновесия между водами озера и отдельными минералами горных пород, атмосферой и органическим веществом, понимание механизмов, контролирующих характер и степень равновесия, его природу, направленность развития и результат в конкретных геохимических и термобарических ситуациях – есть та проблема, которая стоит сейчас перед учеными. Определение равновесного фазового и компонентного состава исследуемых систем является главной задачей в геохимических исследованиях. Накопленный большой эмпирический материал по оз. Байкал и впадающим в него потокам (рекам, взвесям речных вод, подземным водам, минеральным водам, дождю, снегу, аэрозолям) является основой для перевода данных по геохимии вод Байкала на качественно новый уровень, характеризующийся количественным познанием процессов формирования химического состава вод озера. На смену эмпирическому, качественному подходу к анализу геохимических явлений в оз. Байкал необходимы новые средства (компьютерные технологии) и методы (создание количественных моделей процессов формирования химического состава вод озера в естественных и техногенных ситуациях) на основе методов точных фундаментальных наук – химической термодинамики и физико-химической гидродинамики. Важнейшая теоретическая проблема гидрогеохимии – создание имитационных моделей процессов формирования химического состава природных вод континентальных водоемов, а так же прогнозирование качества вод при различных режимах их эксплуатации. До сих пор оз. Байкал изучалось преимущественно по произвольному набору измерений и сопоставлений различных химических и физических параметров, как правило, без учета взаимодействия вещества вод с веществом потоков, впадающих в озеро. Одними исследователями делался вывод, что по акватории оз. Байкал содержание химических компонентов не изменяется, т.е. с точки зрения химического состава озеро представляет собой однорезервуарную систему [Вотинцев, 1956, 1958, 1961, 1978; Вотинцев, Глазунов, 1963; Ветров, Кузнецова, 1997], а другими, что Байкал – сложная мегасистема, в которой внутриводный теплообмен, процессы тепло– и влагообмена озера с атмосферой, радиационный и тепловой баланс должны рассматриваться по меньшей мере в совокупности пяти систем – резервуаров “воды оз. Байкал – атмосфера” [Базикалова и др., 1946; Верболов и др.,1965]. Существуют средство для исследования сложной системы “Оз. Байкал – потоки” – алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз [Кулик, Чудненко, Карпов, 1992; Чудненко, 2007] с положенной в его основу теорией стабильных стационарных мегасистем [Карпов, 1981] и универсальный инструмент для решения широкого круга задач физико-химического моделирования – программный комплекс “Селектор”. Учитывая, что комплексное исследование системы “оз. Байкал – окружающая среда (потоки)” методом компьютерного физико-химического моделирования на ЭВМ еще никем ранее не проводились, перед исследователями встает задача создания принципов и методов подхода к формированию физико-химических моделей системы “оз. Байкал – окружающая среда (потоки)”. Общие методологические принципы моделирования водных систем предусматривают определенную последовательность в построении моделей [Методы…, 1988]. Прежде всего необходимо построить качественную геологическую (геохимическую) модель процесса или явления, которая должна содержать граничные условия – пространственно-временные масштабы для построения модели, Т-Р – условия процесса, источники вещества и их составы, способы и характеристики переноса вещества. Далее на этой основе строят его физико-химическую, математическую и компьютерную модели. На первом этапе необходимо разработать методику для создания геолого – геохимической модели системы “воды оз. Байкал – потоки”. По водам, донным отложениям и потокам озера Байкал собран огромный эмпирический материал, но он нуждается в осмыслении и систематизации. Необходимо учитывать, что Байкал – глубокое рифтовое олиготрофное озеро, эволюцией которого управляют физико-химические законы, обусловленные рифтогенной структурой земной коры. Геоэкосистема озера подобна океанской, а не озерной [Верхозина, 2002]. На то, что оз. Байкал подобен океанической геоэкосистеме, указывает и наличие океанических фронтов [Шерстянкин, 1991, 1993, 1997]. Отличие озера Байкал от других континентальных озер – сложное строение дна и максимальная средняя глубина (больше 500 м). Следовательно, подход к созданию геохимической модели системы “оз. Байкал – потоки” должен быть особым, индивидуальным, как к сложной системе. Создание геохимической модели озера даст реально осуществимую возможность перехода на новую технологию переработки накопленного фонда эмпирических данных по озеру Байкал и его потокам. Создание геолого-геохимической модели “оз. Байкал – потоки” обуславливает необходимость определения баланса масс – количества вещества в водах озера и потоках, поступающих и вытекающих из озера и установления особенностей миграции и аккумуляции компонентов, поступающих в озеро с потоками. Эта цель достигается путем решения следующих задач: 1) в исследуемом водоеме “Озеро Байкал” провести геохимическое районирование – выделить стационарные системы, обменивающиеся потоками вещества и энергии, различающиеся по физико-химическими условиям формирования химического состава вод озера и характеру геохимической среды; 2) установить состояние природного фона систем и потоков в отрезок времени, предшествующий активным антропогенным нагрузкам – создать среднемноголетние базы данных по содержанию макро-, микро-, биогенных элементов и органического вещества в мг/л и моль/кг в системах и потоках многорезервуарной системы “оз. Байкал – потоки”; 3) рассчитать водные и химические балансы всех резервуаров и потоков мегасистемы “оз. Байкал – потоки”; создать базы данных количества вещества в системах и потоках в г/год и моль/год; установить типы миграции компонентов, поступающих в озеро с внешней и внутренней нагрузками. Для достижения поставленной цели в работе впервые: – разработана методика формирования физико-химической и геолого-геохимической моделей оз. Байкал [Астраханцева, 2003, 2004]; – в оз. Байкал выделены стационарные системы, характеризуемые индивидуальными физико-химическими и геохимическими характеристиками [Астраханцева, 2002, 2004]; – через физико-химические параметры вод оз. Байкал проведена оценка их геохимического состояния; – по физико-химическим условиям формирования новообразованного вещества в системе “оз. Байкал – потоки” и характеру геохимической среды озеро рассматривается как многорезервуарная система; – оценено состояние природного фона систем и потоков многорезервуарной системы “Озеро Байкал” в доиндустриальный период: впервые на большом фактическом материале созданы базы данных по среднемноголетним содержаниям макро-, микро, биогенных элементов и органического вещества (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al, Si, Mn2+, Feобщ , SO42-, HCO3-, Cl-, NO3-, PO43-, H+, O2, As, B, Cr, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Mo, Cорг, Nорг, Pорг, Sорг, CO2, Ti) поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод, донных отложений пяти резервуаров озера Байкал и потоков, впадающих и вытекающих из них: реки, взвесь рек, дождь+снег, аэрозоль, подземные воды, минеральные воды, приток озерных вод из других резервуаров озера, поток из донных отложений, поток в донные отложения, сток озерных вод в другие резервуары озера и в реку Ангару (в %, мг/л, моль/кг, г/год, моль/год) [Астраханцева, 2002, 2004а, 2007а]; – рассчитаны водные балансы пяти резервуаров оз. Байкал и потоков, оценена интенсивность водообмена в резервуарах [Астраханцева, Глазунов, 2008]; – проведена количественная оценка масштабов движения подземных вод в земной коре водосборных бассейнов пяти резервуаров оз. Байкал, которая позволила оценить масштабы подземного химического выноса [Астраханцева, 2007b]; – оценена внутренняя нагрузка – потоки из донных отложений и потоки в донные отложения в пяти резервуарах оз. Байкал [Астраханцева, 2006, 2007]; – проведена оценка взаимодействия вещества в мегасистеме “оз. Байкал – окружающая среда (потоки)” – рассчитаны химические балансы макро-, микро-, биогенных элементов и органического вещества в пяти резервуарах озера Байкал и потоках, впадающих в эти резервуары; оценена роль каждого из потоков для каждого из резервуаров озера Байкал. Потоки, составляющие статью “Приход” в химических балансах резервуаров: внешние потоки: реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль, приток из соседних резервуаров озера; внутренняя нагрузка - поток из донных отложений. Статью “Расход” составляют: поток в донные отложения, сток в другие резервуары озера и р. Ангару. Рассчитаны полные годовые массы элементов в каждом потоке, втекающем и вытекающем из резервуаров оз. Байкал (внешняя нагрузка), а также внутренний поток (внутренняя нагрузка) [Астраханцева, 2009, 2009a, 2009b]; – установлена пространственная миграция компонентов в водах пяти резервуаров озера, выделены подвижные и инертные компоненты [Астраханцева, 2009]; – установлены классы элементов экологической опасности для каждого резервуара оз. Байкал; – составлен прогноз поведения компонентов в резервуарах в случае их попадания с антропогенной нагрузкой; – предложена карта рационального размещения сети пунктов контроля качества вод резервуаров оз. Байкал. Разработанная геохимическая модель “Мегасистема “оз. Байкал – потоки”” позволила сделать следующие выводы: 1. Механизм формирования качества вод озера Байкал обусловлен геологическим фактором – рельефом дна озера и, соответственно, перепадами глубин, определяющими своеобразие гидродинамических процессов, градиентов температуры, давления, интенсивность водообмена в пяти резервуарах озера. Условия формирования вещества (температура, давление, химический состав, интенсивность водообмена, взаимодействие вещества резервуаров с веществом потоков) в мегасистеме “оз. Байкал – потоки” в существующих условиях индивидуальны по меньшей мере в пяти главных водных морфологических резервуарах озера Байкал с потоками, впадающими в резервуары и вытекающими из них и в системах этих резервуаров. Рассчитанные химически равновесные модели поверхностных, прибрежных, глубинных и придонных вод пяти резервуаров оз. Байкал показали, что характеристики геохимических сред – суммы растворенных веществ, характеристики кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний, а так же концентрации форм нахождения компонентов – в этих водах различаются, причем у таких компонентов, как Al, Cu, Cr, Fe, As, P, Hg, U, V доминирующие формы нахождения в системах разные. 2. Озеро Байкал – ультрапресное озеро, однако оно имеет большой диапазон содержаний химических компонентов, и этот диапазон индивидуален для каждого резервуара и систем в этих резервуарах. Определен среднемноголетний состав компонентов мегасистемы “оз. Байкал – потоки” (в мг/л, моль/кг) – проведена оценка природного фона систем и потоков, необходимая для проведения сравнительной оценки современных изменений, происходящих под влиянием природных и антропогенных факторов. По всем системам озера Байкал и поступающим в резервуары потокам созданы базы данных независимых компонентов: “Среднемноголетние содержания химических компонентов и cреднемноголетние содержания независимых компонентов в потоках (реки, взвесь речных вод, подземные воды, минеральные воды, дождь+снег, аэрозоль) и системах (прибрежные воды, поверхностные, глубинные, придонные воды, донные отложения) пяти резервуаров оз. Байкал”. 3. В приходной части водного баланса материковый сток является главной составляющей только в Северном и Селенгинском, в остальных резервуарах первое место по вкладу в водный баланс занимает приток озерных вод из соседних резервуаров озера. Среднее значение постоянной времени обмена вод для каждого резервуара составляет: в Северном резервуаре – около 386 лет; в Ушканьеостровском – около 129 лет; в Среднем – около 287 лет; в Селенгинском – около 25 лет; в Южном – около 96 лет. 4. Внешняя и внутренняя нагрузки на протяжении озера, в зависимости от морфологии, резко меняются и индивидуальны в каждом резервуаре. Выявлены большие внутренние нагрузки – потоки из донных отложений в четырех резервуарах озера и незначительная в Селенгинском резервуаре. Установлена ведущая роль внутриводоемных процессов в поступлении и утилизации биогенных элементов, Рорг, основных компонентов – катионов и группы микроэлементов в резервуарах оз. Байкал. 5. Утилизация вещества в донные осадки оз. Байкал избирательна: с внутриводоемными потоками в донные отложения поступают биогенные элементы, Рорг, часть основных компонентов – катионов и группа микроэлементов. Установлено, что во всех резервуарах оз. Байкал, кроме Селенгинского, процент утилизации (захоронения) поступающего вещества очень низок вследствие того, что вещество, поступившее с потоком в донные отложения, за отсутствием малой части возвращается с потоком из донных отложений. В четырех резервуарах озера утилизация вещества ничтожна около 10 %, при этом существуют мощные химические круговороты компонентов. В Селенгинском резервуаре захоранивается 90 % вещества, поступившего с потоком в донные отложения. В случае техногенных аварий самоочищение во всех резервуарах, кроме Селенгинского, практически отсутствует. 6. Резервуары транзитны для основного количества поступившего в них вещества и являются барьерами для части катионов, органического вещества, для биогенных элементов и группы микроэлементов (компоненты связываются: участвуют в химических круговоротах или захораниваются). Аккумуляция вещества в резервуарах индивидуальна, похожа в четырех резервуарах озера и резко отличается в Селенгинском резервуаре. В Южном, Среднем, Ушканьеостровском и Северном резервуарах связанное вещество накапливается в водах и лишь малая часть – в донных отложениях. В Селенгинском резервуаре картина обратная: аккумуляция связанного вещества происходит в донных отложениях и лишь малая часть – в водах. 7. Созданы химические балансовые модели резервуаров озера Байкал. Химическую балансовую модель озера составляют химические балансовые характеристики пяти его резервуаров с потоками, впадающими в резервуары и вытекающими из них: Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного. В оценке внешней и внутренней нагрузок на озеро Байкал важны как внешние, так и внутренний источники вещества, определенные именно для каждого резервуара озера. Внешняя и внутренняя нагрузки сильно различаются на всем протяжении озера и средние их содержания для всего озера Байкал не дают представления об их роли в озере. Каждый резервуар индивидуален по количеству вещества в резервуаре, испытываемым внешней и внутренней нагрузкам, по источникам прихода и пунктам расхода компонентов и по набору компонентов, совершающих круговорот внутри резервуаров. Следовательно, физико-химические процессы, происходящие в водах оз. Байкал вследствие взаимодействия вещества резервуаров с веществами потоков, впадающих в каждый резервуар, индивидуальны в каждом резервуаре. 8. По типам и пунктам миграции в резервуарах выделены четыре группы: компоненты слабоподвижные, участвующие в химических круговоротах – элементы первого класса экологической опасности; умеренно подвижные, частично участвующие в химических круговоротах – элементы второго; слабоподвижные и умеренно подвижные, захоранивающиеся в донных отложениях – третьего и легкоподвижные – транзитные – элементы четвертого класса экологической опасности. Во всех резервуарах, кроме Селенгинского, Na+, Mg2+, Si, Feобщ, NO3-, PO43-, Al, Mn2+, Cr, Pb, Co, As, Rb, Mo, Cu, Cd, V, U, Ti, Nорг, Pорг, еще в Южном Zn, в Среднем K+, Ca2+, B, Cорг, Sорг, в Ушканьеостровском K+, Zn и в Северном Ca2+, K+, SO42-, B, Br, Sr, Zn, Cорг, Sорг относятся к первому и второму классам экологической опасности. В Селенгинском резервуаре компоненты Feобщ, PO43-, Mn2+, Co, Cd, Mo, As, Rb, V, U, Ti, Pорг относятся ко второму классу экологической опасности. 9. Оценка геохимической устойчивости, состоящая в определении подвижности компонентов, поступающих в резервуары и уходящих из них, оценке степени участия компонентов в химических круговоротах внутри резервуаров и установлении места накопления компонентов – в водах или донных отложениях, показала, что в Южном, Среднем, Ушканьеостровском и Северном резервуарах поступающие с потоками компоненты относятся к четырем группам экологической опасности, а в Селенгинском – ко второй, третьей и четвертой группам. Селенгинский резервуар отличается от других резервуаров озера типами и пунктами миграции компонентов. Каждый резервуар оз. Байкал индивидуален по набору компонентов в классах экологической опасности. 10. По всем системам пяти резервуаров оз. Байкал и потокам (внешняя и внутренняя нагрузки), поступающим в резервуары, созданы базы данных мерных количественных характеристик, позволяющие оперировать массами веществ, вступающих во взаимодействие в природной обстановке. Получен термодинамический параметр состояния отдельных систем оз. Байкал и впадающих в резервуары и вытекающих из них потоков – количества независимых компонентов в системах и потоках. .11. Создана основа для разработки Нормативов допустимых воздействий на экосистемы оз. Байкал. Компоненты, поступающие в резервуары оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, сгруппированы по классам экологической опасности. В Нормативах допустимых воздействий в “перечень особо опасных веществ” для резервуаров оз. Байкал необходимо включить вещества, изменяющие интенсивность внутренней нагрузки – потока из донных отложений и потока в донные отложения, (элементы первого и второго класса экологической опасности). 12. Центральная экологическая зона Байкальской природной территории состоит из пяти резервуаров – экологических зон оз. Байкал. Пяти центральным экологическим зонам соответствуют пять буферных зон, равные по площади водосборным бассейнам пяти резервуаров озера Байкал. 13. Совокупность методов, средств и форм управления в области охраны оз. Байкал необходимо осуществлять на базе все большей детализации всего комплекса научных исследований. Список литературы 1. Астраханцева О.Ю. Принципы создания модели “Мегасистема “Оз. Байкал””, база данных // Проблемы земной цивилизации. Сборник статей “Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации”. Вып.6, ч.1. - Иркутск, ASPrint, 2002. - С. 72-121. 2. Астраханцева О.Ю. Создание физико-химической модели “Мегасистема “Оз. Байкал””. Выделение полуавтономных подсистем в озере Байкал // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН, 2003, №7. С. 124-129. 3. Астраханцева О.Ю. Подход к формированию физико-химической модели “Мегасистема “Оз. Байкал”” // Экосистемы и природные ресурсы горных стран. Материалы Первого Междунар. симпоз. “Байкал. Современное состояние поверхностной и подземной гидросферы горных стран”. – Новосибирск: Наука. 2004. - С. 211-233. 4. Астраханцева О.Ю. База данных химического состава вод и потоков оз. Байкал // Экосистемы и природные ресурсы горных стран. Материалы Первого Междунар. симпоз. “Байкал. Современное состояние поверхностной и подземной гидросферы горных стран”. – Новосибирск: Наука. 2004а. - С. 233-260. 5. Астраханцева О.Ю. Потоки “Поток компонентов из донных отложений” и “Поток компонентов в донные отложения” пяти резервуаров оз. Байкал (Южного, Селенгинского. Среднего, Ушканьеостровского, Северного) // Известия вузов Сибири. Серия наук о Земле. 9-10 выпуск. 2006. С.139-142. 6. Астраханцева О.Ю. Вклад потоков “Потоки компонентов в донные отложения” и “Потоки компонентов из донных отложений” в химические балансы пяти резервуаров (Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного) мегасистемы Оз. Байкал // Материалы Всеросс. науч. конф. (Иркутск: Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 24-30 сентября, 2007г.). Иркутск, 2007. С.115-119. 7. Астраханцева О.Ю. Оценка фонового содержания компонентов в потоках “Речная взвесь”, впадающих в резервуары мегасистемы “Озеро Байкал” и вклада потоков “Речная взвесь” в химические балансы резервуаров // Материалы Всеросс. науч. конф. (Иркутск: Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 24-30 сентября, 2007г.). Иркутск, 2007a. С.120-123. 8. Астраханцева О.Ю. Количественная оценка потока “Подземные воды”, впадающего в озеро Байкал, для пяти резервуаров озера Байкал: Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного // Вестник ИрГТУ, 2007b, № 3 (31), С.15-21. 9. Астраханцева О.Ю. Расчет морфометрических характеристик сложной системы “Озеро Байкал” // Вестник ИрГТУ, 2007g, № 4 (32), С.42-49. 10. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мегасистемы “Озеро Байкал”. Вестник ИрГТУ, 2008, № 3 (35), C. 148 – 154. 11. Астраханцева О.Ю., Тимофеева С.С., Глазунов О.М. Химические балансы пяти резервуаров озера Байкал // Вестник ИрГТУ, 2009, № 1 (37), C. 11 – 23. 12. Астраханцева О.Ю., Тимофеева С.С., Глазунов О.М. Основные источники прихода компонентов в химических балансах резервуаров озера Байкал // Вестник ИрГТУ, 2009а, № 3 (39), C. 6-16. 13. Астраханцева О.Ю., Тимофеева С.С., Глазунов О.М. Пункты расхода компонентов в химических балансах резервуаров озера Байкал // Вестник ИрГТУ, 2009б, № 4 (40), C. 6-13. 14. Верхозина В.А. Дисс… доктора тех. наук. Иркутск. гос. тех. универ-т. Формирование качества пресных вод крупнейших и рифтовых озер мира и их рациональное использование (на примере озер Байкал и Ньяса), 2002, 344с. 15. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука. – 1981. – 247с. 16. Кулик Д.А., Чудненко К.В., Карпов И.К. Алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз // Геохимия. – 1992, № 6. – С. 858-879. 17. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / Под ред. С.Р. Крайнова. М.: Недра. – 1988. – 254с. 18. Шерстянкин П.П. Присклоновые фронты показателя ослабления света на Байкале в зимний период // Докл. АН СССР. – 1991. - Т. 321, № 5. - С. 1087-1090. 19. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале. Дис…. д-ра физ.-матем. наук (в форме научного доклада). ИО РАН, М., 1993. - 37 с. 20. Шерстянкин П.П. Байкал, питьевая вода, устойчивое развитие: сегодня и в ХХ1 веке // Химия в интересах устойчивого развития. – 1997. - № 5, 1997. - С.443-451. 21. Чудненко К.В. Дисс… доктора г.-м. наук. Иркутск. гос. тех. универ-т. Теория и программное обеспечение метода минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических задач, 2007, 385с.


К списку докладов