Глава 4 Гидрооптические исследования

  ГЛАВА 4.

Гидрооптические исследования

4.1. Результаты экспедиции 2018 г. В ходе экспедиции на озеро Иссык-Куль в начале июля 2018 года проводились измерения лазерным ультрафиолетовым флуоресцентным лидаром УФЛ-9 на станциях и на ходу судна (Рис. 4.1). Полученные данные автоматически привязывались к координатам места с помощью GPS. На станциях снимался спектр флуоресценции и обратного рассеяния лазерного импульса с длиной волны 355 нм в спектральных каналах 355, 385, 404, 424, 440, 460, 497, 532, 620, 651, 685 нм.

Рис. 4.1. Работа лазерного лидара УФЛ-9 на борту НИС «Молтур», 6 июля 2018 года.

На ходу судна проводилось непрерывное зондирование с частотой 2 Гц приповерхностного слоя вод с одновременной регистрацией сигналов в каналах 355, 404, 440, 685 нм, соответствующих хлорофиллу и органическому веществу и концентрации взвеси по сигналу упругого рассеяния при 355 нм. При обработке данных измерений в режиме станции для уменьшения случайной ошибки измерений итоговое значение концентрации в относительных единицах получалось при усреднении более 10 отсчетов. При обработке данных, полученных на разрезах на ходу судна, проводилось сглаживание рядов данных скользящим средним с шириной окна в 3 отсчета.

Рис. 4.2. Калибровочные регрессионные зависимости для лидара УФЛ-9 по данным отбора проб воды на хлорофилл а, взвешенное органическое вещество и общую взвесь.

По окончании экспедиции была проведена калибровка показаний лидара по данным анализа отобранных на 18 станциях проб воды на хлорофилл а, взвешенное органическое вещество и минеральную взвесь.

Полученные регрессионные зависимости представлены на рис. 4.2. Как следует из данного рисунка, в ходе калибровочных работ были получены исключительно высокие коэффициенты детерминации для лидарных измерений и контрольных лабораторных измерений на пробах.

Результаты гидрооптических измерений.

На 18 станциях в поверхностном слое определены концентрации общей взвеси (Свв), её минеральной (Свмв) и органической (Свов) составляющих и хлорофилла a (Схл). Дополнительно на каждой станции в светлое время суток измерялась относительная прозрачность воды (H – максимальная глубина видимости белого диска).

Пробы воды объемом 5 л отбирались с поверхности ведром. Взвесь отфильтровывалась на стекловолоконные фильтры Whatman GF/F, фильтры высушивались в присутствии силикагеля и хранились в морозильнике. Анализ содержания взвеси проводился в лабораторных условиях.

Концентрация хлорофилла определялась по стандартной спектрофотометрической методике. Методика определения суммарной концентрации взвеси и ее компонентов описана в работе [9].

Результаты измерений представлены в таблице 4.1 и на 10-ти рисунках.

Величины концентраций компонентов взвеси, хлорофилла и относительной прозрачностью приведены в таблице 4.1.

Таблица содержит некоторые данные, полученные и в экспедиции 2017 г. Их сопоставление с результатами 2018 г. показало, что величины большинства показателей за прошедший год изменились несущественно.

Наиболее стабильными были концентрации взвешенного органического вещества (как абсолютные, так и относительные).

Таблица 4.1.

Существенно изменилось лишь содержание хлорофилла: более, чем вдвое увеличились средние значения его концентраций, рассчитанные для всей исследованной акватории, а максимальные оказались в 4 раза выше по сравнению с прошлогодними. При этом следует заметить, что наибольший рост концентраций наблюдался в относительно небольших по площади северо-восточных приустьевых зонах двух рек. На основной, значительно большей площади озера концентрации хлорофилла сохранились на низком прошлогоднем уровне и практически не превышали 0,2 мкг/л.

На рис. 4.3а представлено распределение величин относительной прозрачности H, а на рис. 4.3б – распределение глубин. Анализ рисунков показывает, что расположение вод с максимальной прозрачностью приурочено к наиболее глубоководному району озера. В общих чертах картина постепенного увеличения прозрачности по мере удаления от берегов согласуется с батиметрической картой.

а)

б)

Рис. 4.3. Распределение относительной прозрачности H оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г. (а) и его глубины (б).

В значительной степени сходными (в масштабе озера) представляются карты распределения концентраций взвешенного минерального вещества (Рис. 4.4) и прозрачности H (Рис. 4.3а). Особенно хорошо совпадают положения областей с минимальной прозрачностью и с максимальными концентрациями С_вмв.

Рис. 4.4. Распределение концентраций взвешенного минерального вещества в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г. Белым цветом обозначены глубины и изобаты.

О том, насколько тесная связь существует между величинами С_вмв и H (по результатам наших измерений в экспедициях 2017 и 2018 гг.) можно судить по графикам, представленным на рис. 4.5. Прямые линии, относящиеся к концентрациям минеральной взвеси, можно аппроксимировать следующими выражениями:

2017 г. lgCвмв = 0,4 – 0,68 lgH, r = – 0,88 (1)

2018 г. lgCвмв = 0,31 – 0,44 lgH, r = – 0,76 (2)

2017+2018 гг. lgCвмв = 0,43 – 0,63 lgH, r = – 0,81 (3)

Наиболее тесная связь между прозрачностью и концентрацией минеральной взвеси наблюдается для диапазона H от 1-го до 8-ми метров (концентрации взвеси при этом изменялись от 0,83 до 3,03 мг/л):

2017+2018 гг. lgCвмв = 0,49 – 0,68 lgH, r = – 0,997, r² = 0,995 (4)

Можно предположить, что столь высокое значение коэффициента корреляции в водах с относительно малой прозрачностью объясняется относительно большим количеством минеральной взвеси в данном конкретном комплексе оптически активных взвешенных и растворенных компонентов.

Рис. 4.5. Связи между концентрациями взвешенного минерального (Свмв) и органического (Свов) веществ и относительной прозрачностью (H) в оз. Иссык-Куль в 2017 и 2018 гг.

На рис. 4.6 и 4.7 показано распределение абсолютных и относительных концентраций взвешенной органики. Так же, как и в картине распределения концентраций минеральной взвеси, в 2018 г. по сравнению с 2017 г. существенных изменений не произошло (Таблица 4.1). Области с максимальными концентрациями Cвов по-прежнему находились в двух северо-восточных приустьевых заливах. Без их учета на всем озере значения Cвов были невысокими, не превышающими 0,15 мг/л. Концентрации взвешенной органики по отношению ко всей взвеси (С_вов^отн. = 100 C_вов /(C_вмв+ C_вов)) незначительно уменьшились.

Рис. 4.6. Распределение концентраций взвешенного органического вещества в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г.

Рис. 4.7. Распределение относительных значений концентраций взвешенного органического вещества (Свов, %) в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г.

Между величинами С_вов и H (по результатам наших измерений в экспедициях 2017 и 2018 гг.) так же, как и для С_вмв и H обнаружена довольно тесная связь, о чем можно судить по графикам, представленным на рис. 4.5. Прямые линии, относящиеся к концентрациям органической взвеси, можно аппроксимировать следующими выражениями:

2017 г. lgCвов = – 0,16 – 0,75 lgH, r = – 0,98 (5)

2018 г. lgCвов = – 0,27 – 0,65 lgH, r = – 0,85 (6)

2017+2018 гг. lgCвов = – 0,21 – 0,71 lgH, r = – 0,93 (7)

Концентрации хлорофилла по сравнению 2017 г. возросли в среднем более, чем вдвое. При этом также увеличилось и его относительное содержание во взвешенной органике (С_хл/С_вов, ‰). Увеличение концентраций С_хл сопровождалось снижением пигментного индекса фитопланктона, что несомненно свидетельствует о его более молодом по сравнению с 2017 г. возрасте и более высокой скорости увеличения его биомассы и содержания хлорофилла. Указанные изменения произошли несмотря на то, что в 2018 г. исследования проводились на несколько дней позднее по сравнению с 2017 г.

По рис. 4.8 – 4.10, на которых представлено распределение концентрации хлорофилла и пигментного индекса фитопланктона, можно судить о распределении биомассы фитопланктона и его активности в поверхностном слое вод озера. Области с высокими абсолютными и относительными значениями концентраций хлорофилла (более 1-го мкг/л и 2-х ‰ соответственно) и пониженными значениями пигментного индекса (до 2,4) расположены в тех же северо-восточных приустьевых заливах, в которых отмечены повышенные концентрации взвешенного органического вещества.

Область с минимальными концентрациями хлорофилла (менее 0,1 мкг/л) занимает большую часть восточной половины озера.

Повышенная активность фитопланктона (I_430/664 ≤ 3) наблюдается не только в заливах, но также и в значительной части глубоководной (более 400 м) акватории.

Рис. 4.8. Распределение концентраций хлорофилла в поверхностном слое вод

оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г.

Рис. 4.9. Распределение относительных концентраций хлорофилла (Схл/Свов) в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г. Синим цветом обозначены глубины и изобаты.

Рис. 4.10. Распределение пигментного индекса фитопланктона в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в начале июля 2018 г. Синим цветом обозначены глубины и изобаты.

На рис. 4.9 представлено распределение концентрации хлорофилла в относительных единицах С_вов^отн, а именно – в долях от суммарной концентрации взвешенного органического вещества. Эта доля представляет собой один из тех показателей, которые характеризуют соотношение между количеством «живой» органики и «мертвой» и тем самым отражают «состояние здоровья» воды. К «живой» – относится фито- и бактериопланктон, к «мертвой» – детрит. К условно взвешенной «мертвой» органике можно отнести также и ту её растворенную часть, которая адсорбирована поверхностью минеральных частиц и физически неотделима от взвеси. Мерой количества «живой» органики в данном случае является величина С_хл.

Рис. 4.11. Зависимость относительной концентрации хлорофилла от величины пигментного индекса фитопланктона

На рис. 4.11 графически представлена зависимость величины С_вов^отн от пигментного индекса, полученная для 2017 и 2018 гг. Отличия графиков обусловлены тем, что в 2018 г. возросла концентрация хлорофилла и снизилось (также в среднем) значение пигментного индекса.

Концентрация хлорофилла по сравнению с минеральной и суммарной органической взвесью в меньшей степении влияет на прозрачность воды (Рис. 4.12). Тем не менее, отрицательная корреляция между величинами Схл и H и в особенности между их логарифмами хорошо прослеживается и может быть описана следующими уравнениями:

2017 г. lgCхл = – 0,093 – 0,74 lgH, r = – 0,9 (8)

2018 г. lgCхл = 0,55 – 1,4 lgH, r = – 0,83 (9)

2017+2018 гг. lgCхл = 0,14 – 0,98 lgH, r = – 0,81 (10)

Рис. 4.12. Связи между концентрациями хлорофилла (Схл) и относительной прозрачностью (H) в оз. Иссык-Куль в 2017 и 2018 гг.

Лидарное зондирование

На основании данных калибровок построены карты распределения хлорофилла а, взвешенного органического вещества (ВОВ) и минеральной взвеси на акватории озера в абсолютных единицах концентраций. Карты представлены на рис. 4.13 – 4.15.

Диапазоны измеренных лидаром величин, как правило, наиболее широкие, поскольку непрерывные измерения по ходу рейса позволяют обеспечить максимально подробное покрытие исследуемой акватории. То или иное пятно с высоким уровнем цветения водорослей или содержанием антропогенных загрязнений практически гарантированно попадает в поле зрения лидара, так как пространственное разрешение УФЛ-9 составляет до 1 м.

Диапазоны откалиброванных по данным станций измеренных лидаром величин:

• хлорофилл а: 0.03-3.57 мкг/л

• взвешенное органическое вещество: 0.08-1.15 мг/л

• общая взвесь: 0.49-7.33 мг/л

Данные о диапазонах изменчивости за 2015 - 2018 гг. приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2.

При сопоставлении результатов измерений с летней экспедицией на Иссык-Куль 2017 года следует отметить, что максимальные значения концентраций хлорофилла а превышают прошлогодние значения восточной части озера примерно в 1,5 раза. При этом пиковые значения взвешенного органического вещества в 3 раза меньше в этом же районе. Кроме ожидаемого максимума концентраций хлорофилла в устьях, также наблюдались повышенные значения в западной части озера.

Взвесь в июле 2018 года демонстрирует совершенно иной характер распределения в поверхностном слое озера, нежели наблюдавшиеся в 2015 – 2017 гг. В этот раз пиковые значения достигаются в юго-западной части озера, подобного ранее нами не наблюдалось. Причиной подобного может быть залповый сток одной из малых рек, впадающих в этом районе в Иссык-Куль, после сильного дождя, при одновременном наличии ветров западных либо южных румбов.

В свою очередь, в приустьевых восточных районах рек Каракол и Жыргалан. концентрации взвеси, как и органических веществ, существенно ниже прошлогодних.