Глава 5 Гидрооптические и гидробиологические исследования

 ГЛАВА 5.

Гидрооптические и гидробиологические исследования

Концентрация хлорофилла в отобранных в ходе экспедиций пробах
воды определялась по стандартной спектрофотометрической методике [10]. Методика определения суммарной концентрации взвеси и ее компонентов описана в работе [11].

Кроме того, во всех экспедициях принимал участие отряд дистанционного зондирования с флуоресцентным ультрафиолетовым лидаром УФЛ-9.

Лазерный лидар разработан в Институте Океанологии РАН и предназначен для экспрессного обнаружения загрязнений акваторий нефтепродуктами, фенолами, канализационными отходами, сельскохозяйственными стоковыми водами и другими органическими веществами антропогенного происхождения. Лидар устанавливается на катере экологического контроля или стационарно на надводных конструкциях.

Работает в автоматическом режиме, частота импульсов зондирования среды 2 Гц, что позволяет при использовании маломерного скоростного судна оперативно обследовать водоем на предмет загрязнений органического антропогенного характера, дать количественную оценку загрязнению, оконтурить зону распространения загрязнения, а также во многих случаях определить его источник.

Позволяет определить степень загрязненности водной поверхности
и приповерхностного слоя воды органическими соединениями. Измеряется концентрация растворенных и взвешенных органических веществ естественного и антропогенного происхождения в толще воды в [м-1], концентрация хлорофилла фитопланктона [мг/м3], содержание взвеси в приповерхностном слое воды [мг/л], может работать в режиме обнаружения нефтяной пленки на водной поверхности.

Принцип действия: лидар размещается на борту судна (катера) в его
носовой части либо стационарно на береговых конструкциях; зондирующий луч направлен на поверхность воды под углом 5-45° к вертикали. Вошедший
в воду лазерный импульс (355, 532 нм) вызывает флуоресценцию органики, находящейся на поверхности (например, нефтяная пленка) и органики,
растворенной или взвешенной в толще воды, а также хлорофилла фитопланктона. Флуоресцентное излучение, проявляющееся в спектральном
диапазоне 400–700 нм, принимается и анализируется в спектрофотометрическом блоке лидара. Уровень принятого сигнала флуоресценции, пропорциональный концентрации органических загрязняющих веществ, сигнал обратного рассеяния, а также реперный сигнал комбинационного рассеяния воды регистрируются, запоминаются и анализируются с помощью портативного компьютера (ПК).

УФЛ-9 полностью автоматизирован, управление работой прибора
и запись данных измерений ведется программным путем одним оператором
с помощью ПК. Оперативная информация и результаты зондирования обрабатываются в соответствии с разработанной методикой и отображаются на экране монитора.

Практические применения прибора: Оперативный мониторинг источников загрязнения моря и пресных акваторий; заводы, канализационные стоки, порты и пр. с помощью экспрессных обследований лидаром морских береговых и речных устьевых вод, вод пресных водоемов.

Контроль количества нефтепродуктов, остающихся на морской поверхности в процессе очистки акватории от нефтяного загрязнения. Это необходимо для оконтуривания зоны морской поверхности, подлежащей очистке, выбора способа очистки, а также для определения момента прекращения процесса очистки.

Обнаружение слабых утечек нефтепродуктов из трубопроводов, проложенных по дну моря, а также с нефтяных терминалов и буровых платформ.

Экспресс-обследование проливов, портов и контроль загрязнения вод судами, путем пересечения кильватерного следа катером с установленным на нем лидаром, фиксирующим сравнительную загрязненность воды органическими веществами и нефтепродуктами в следе судна и вне его.

Возможно использование прибора для контроля чистоты пляжей,
а также других поверхностей суши для обнаружения малых утечек нефтепродуктов из нефтепроводов или с буровых платформ, стоков органических удобрений с земель сельскохозяйственного назначения, либо других веществ органического происхождения.

5.1. Результаты экспедиции 2014 г. В ходе экспедиционных работ
проводились отборы проб воды в приповерхностном слое для последующего гидрохимического и гидробиологического анализа на концентрацию взвешенных органических веществ (Свов), взвешенных минеральных веществ (Свмв) и хлорофилла (Схл), относительное содержание органической взвеси
и величину пигментного индекса, а также определялась прозрачность вод
с помощью диска Секки. Результаты анализов проб воды, отобранных на станциях, представлены в таблице 5.1., таблице 5.2. и на рис. 5.1. В таблице 5.1 показаны концентрации органического взвешенного вещества (С_вов, в мг/л), минерального взвешенного вещества (С_вмв, в мг/л) и хлорофилла (С_хл,
в мкг/л), относительное содержание взвешенного органического вещества (С_вов/(С_вов + С_вмв), в %-ах), величина пигментного индекса (I_430/675 , б/р) и относительная прозрачность (Н, в м). В таблице 5.2 показаны основные статистические характеристики результатов анализа проб воды.

Таблица 5.1.

Таблица 5.2.

Рис. 5.1. Связь между относительной прозрачностью воды

и концентрациями взвешенных веществ и хлорофилла

Из таблицы 5.1 и 5.2 видно, что изменчивость всех измеренных показателей относительно невелика. Форма графиков на рис. 5.1 свидетельствует о естественной обратной зависимости прозрачности верхнего слоя воды от концентраций компонентов взвеси на поверхности.

На рис. 5.2–5.3 представлено распределение хлорофилла фитопланктона на полигоне работ за 12, 13 сентября 2014 г. Можно отметить низкие значения концентраций, соответствующие ультра-олиготрофному водоему. В прибрежных зонах, в связи с поступлением биогенов с суши, концентрация хлорофилла увеличивается.

Рис. 5.2. Результаты лидарных измерений концентрации хлорофилла 12.09.2014

Рис. 5.3. Результаты лидарных измерений концентрации хлорофилла 13.09.2014

На рис. 5.4–5.7 приведены карты распределения минеральной взвеси. Следует учитывать, что из-за малой глубины в зоне работ в отдельных точках можно было наблюдать «взмучивание» винтом судна воды со дна и вынос осадков в поверхностный слой. В целом концентрации минеральной взвеси крайне низкие, что обусловливает высокую прозрачность озерных вод. В прибрежных зонах в связи с малой глубиной наблюдалось увеличение концентраций минеральной взвеси из-за наличествующего, хотя и малого, континентального стока, а также из-за перемешивания донных осадков в зоне прибоя. Наибольшие концентрации взвеси вдали от берега наблюдались 11 сентября 2014 г., вероятно, из-за сильного ветра и увеличения глубины слоя ветрового перемешивания.

Рис. 5.4. Результаты лидарных измерений концентрации взвеси 11.09.2014

Рис. 5.5. Результаты лидарных измерений концентрации взвеси 12.09.2014.

Рис. 5.6. Результаты высокоразрешающих лидарных измерений концентрации
взвеси 12.09.2014 г. на участке полигона в районе пансионата «Голубой Иссык-Куль»

Рис. 5.7. Результаты лидарных измерений концентрации взвеси 13.09.2014

На рис. 5.8–5.11 приведены карты распределения взвешенного органического вещества за 11 сентября по 13 сентября 2014 г. В прибрежных районах концентрации органики повышенные. Особенно нужно отметить значительное повышение содержания органики относительно фоновых значений в районе
с. Караой (западная часть трека судна за 11.09.14) и в бухте около центра
г. Чолпон-Ата и пансионата «Голубой Иссык-Куль» (увеличенная карта за 12.09.14). Это, по-видимому, свидетельствует о заметном влиянии сточных вод, поступающих с берега в озеро в районах расположения крупных курортных комплексов.

Рис. 5.8. Результаты лидарных измерений концентрации взвешенного

органического вещества 11.09.2014

Рис. 5.9. Результаты лидарных измерений концентрации взвешенного

органического вещества 12.09.2014

Рис. 5.10. Результаты высокоразрешающих лидарных измерений концентрации

взвешенного органического вещества 12.09.2014 на участке полигона

в районе пансионата «Голубой Иссык-Куль»

Рис. 5.11. Результаты лидарных измерений концентрации взвешенного органического вещества 13.09.2014

5.2. Результаты экспедиции 2015 г. На 21 станции (точках отбора проб) в поверхностном слое были определены концентрации общей взвеси,
её минеральной и органической составляющей и хлорофилла. Дополнительно на большинстве станций была измерена относительная прозрачность воды (максимальная глубина видимости белого диска).

В 2015 году работы имели гораздо более масштабный характер по
сравнению в 2014 годом и охватили озеро практически целиком. С помощью лидара УФЛ-9 удалось исследовать структуру пространственного распределения концентраций хлорофилла, органического вещества и минеральной взвеси
в масштабе акватории озера, а также тонкую субмезомасштабную структуру пятнистости на полигоне работ в восточной его части.

Результаты гидрооптических определений представлены в таблицах
5.3 и 5.4 и на рис. 5.12–5.14. В таблице 5.3 приведены концентрации взвешенных веществ (органического – С_вов и минерального – С_вмв, в мг/л) и хлорофилла (С_хл, в мкг/л), относительное содержание взвешенного органического вещества (С_вов/C_{ВОВ+ВМВ}, в %-ах) и относительной прозрачности Н (максимальной глубины видимости белого диска, в м).

Таблица 5.3

В таблице 5.4 приведены статистические данные.

Таблица 5.4.

Рис. 5.12. Распределение относительной прозрачности

(максимальной глубины видимости диска Секки) – H (в м)

Изображенное на рис. 5.12 свидетельствует о том, что наиболее прозрачные воды озера (видимость диска – до 19 м) находятся в южной его части, а зона с наименьшей прозрачностью расположена в западной прибрежной акватории, где видимость диска снижается до 6 м. В восточной части озера прозрачность имеет промежуточные значения.

Рис. 5.13. Распределение концентраций взвешенного минерального вещества

(Свмв, мг/л) на поверхности озера

Рис. 5.14. Распределение концентраций взвешенного органического вещества

(Свов, мг/л) на поверхности озера

На рис. 5.15–5.17 представлено пространственное распределение хлорофилла, ВОВ и ВМВ в масштабе акватории, красными линиями обозначены траектории судна. Необходимо отметить исключительно низкие
концентрации этих параметров на всей площади водоема, за исключением приустьевых районов на востоке и прибрежья на западе озера, Иссык-Куль является ультра-олиготрофным водоемом. Глубина слоя зондирования,
в котором лидаром определяется средняя концентрация, оценивается в 5–15 м
в зависимости от расстояния от берега и приблизительно соответствует
глубине видимости диска Секки (Таблицы 5.3 и 5.4).

В таблице 5.5 приведены статистика измерений лазерным лидаром УФЛ-9.

Таблица 5.5.

Рис. 5.15. Площадное распределение хлорофилла

в поверхностном слое оз. Иссык-Куль,

полученное флуоресцентным лидаром УФЛ-9, 23–26 июня 2015 г.

Рис. 5.16. Площадное распределение взвешенного органического вещества

в поверхностном слое оз. Иссык-Куль,

полученное флуоресцентным лидаром УФЛ-9, 23–26 июня 2015 г.

Рис. 5.17. Площадное распределение взвешенного органического вещества

в поверхностном слое оз. Иссык-Куль,

полученное флуоресцентным лидаром УФЛ-9, 23-26 июня 2015 г.

На рис. 5.18–5.20 представлены карты мелкомасштабного распределения хлорофилла, органики и взвеси на полигоне работ в восточной части Иссык-Куля вблизи г. Каракол, в районе подводных палеорусел рек, питающих Иссык-Куль. Красными точками обозначены места лидарных зондирований.

Рис. 5.18. Пространственное распределение хлорофилла

на восточном полигоне вблизи г. Каракол, полученное лидаром УФЛ-9

Рис. 5.19. Пространственное распределение взвеси на восточном полигоне вблизи
г. Каракол, полученное лидаром УФЛ-9

Рис. 5.20. Пространственное распределение взвешенного органического вещества на восточном полигоне вблизи г. Каракол, полученное лидаром УФЛ-9

5.3. Результаты экспедиции 2016 г. Измерения проводились ультрафиолетовым лазерным лидаром УФЛ-9 на станциях и на ходу судна (Рис. 5.21).

Полученные лидаром единицы флуоресценции были пересчитаны в абсолютные весовые единицы (мкг/л для хлорофилла и мг/л для растворенного органического вещества и общей взвеси) на основании лабораторного анализа отобранных во время экспедиции проб на 27 станциях. Хлорофилл-а был определен спектрофотометрическим методом, взвесь – также на основе спектрофотометрического метода, общий органический углерод – методом каталитического окисления [11].

Рис. 5.21. Работа лазерного лидара УФЛ-9 на борту НИС «Молтур»,

31 октября 2016 г.

По данным лидарного зондирования были построены карты пространственного распределения хлорофилла, общего органического углерода и общей взвеси в приповерхностном слое на акватории озера Иссык-Куль в абсолютных единицах.

Диапазоны откалиброванных по данным станций измеренных лидаром величин таковы: хлорофилл а 0.17–1.7 мкг/л; общий органический углерод 2.5–42 мг/л; общая взвесь 0.08-2.4 мг/л.

На рис. 5.22–5.24 представлены карты пространственного распределения основных параметров качества воды в приповерхностном слое.

Рис. 5.22. Распределение концентраций хлорофилла

в приповерхностном слое озера Иссык-Куль по данным лидарного зондирования

Рис. 5.23. Распределение концентраций общего органического углерода

в приповерхностном слое озера Иссык-Куль по данным лидарного зондирования

Рис. 5.24. Распределение концентраций общей взвеси

в приповерхностном слое озера Иссык-Куль по данным лидарного зондирования

Максимальная концентрация хлорофилла, а также повышенное содержание С_орг и взвеси, наблюдается у северо-западного берега озера в местах впадения группы малых рек. Предположительно, их сток является источником биогенов для фитопланктона, а также, возможно, антропогенного загрязнения.

Максимальные значения содержания общего органического углерода
и общей взвеси наблюдались в восточной части Иссык-Куля вблизи г. Каракол в районе подводных палеорусел рек Тюп и Джергалан.

По сравнению с результатами экспедиции на Иссык-Куль в июле 2015 г., в ноябре 2016 г. среднее содержание хлорофилла было выше примерно
в три раза, взвеси – в два раза, а общего растворенного углерода – почти
в четыре раза. Такие различия, по-видимому, следует связывать с сезонной изменчивостью. При этом положение максимумов и минимумов концентраций измеряемых параметров осталось примерно прежним. Однако, локальный
максимум содержания хлорофилла вблизи г. Каракол в 2016 году в полтора раза ниже, чем локальные максимумы в северо-западной части озера (0.6 мкг/л и 0.9 мкг/л соответственно), при этом в 2015 году наблюдалась обратная картина, когда концентрации хлорофилла в районах подводных палеорусел были значительно более выраженными.

Наиболее детальная съемка была проведена в восточной части озера, результаты измерений представлены на рис. 5.25–5.27.

Рис. 5.25. Распределение концентраций хлорофилла

в приповерхностном слое восточной части озера Иссык-Куль

по данным лидарного зондирования 01.11.16

Рис. 5.26. Распределение концентраций общего органического углерода

в приповерхностном слое восточной части озера Иссык-Куль

по данным лидарного зондирования 01.11.16.

Рис. 5.27. Распределение концентраций общей взвеси

в приповерхностном слое восточной части озера Иссык-Куль

по данным лидарного зондирования 01.11.16

5.4. Результаты экспедиции 2017 г. В ходе экспедиции на озеро
Иссык-Куль с 25 июня по 1 июля 2017 года проводились измерения лазерным ультрафиолетовым флуоресцентным лидаром УФЛ-9 по такой же методике, как в предыдущих экспедициях.

На рисунках (Рис. 5.28–5.30) представлены карты пространственного распределения основных параметров качества воды в приповерхностном слое.

В таблице 5.6 приведены сводные данные о диапазонах изменчивости за 2015, 2016 и 2017 гг.

Таблица 5.6.

Помимо лидарных измерений, концентрации минеральной и органической взвеси и хлорофилла определялись путем фильтрации и анализа проб, отобранных на станциях. На 20 станциях в поверхностном слое определены концентрации общей взвеси С_вв, её минеральной С_вмв и органической С_вов составляющей и хлорофилла С_хл. Дополнительно на большинстве станций измерена относительная прозрачность воды (максимальная глубина видимости белого диска – Z_б).

В таблице 5.7 приведены распределение компонентов взвеси, хлорофилла, пигментного индекса и относительной прозрачности на станциях.

Таблица 5.7.

В таблице 5.7 показано, что диапазоны изменчивости всех измеренных показателей заметно различались. В наиболее глубоководной части озера вода была почти в 20 раз более прозрачной по сравнению с приустьевыми районами северо-восточных заливов (Рис. 5.31).

Картина, представленная на рис. 5.31, практически полностью повторяет вид распределений основных оптически активных компонентов взвеси: минеральных и органических веществ и хлорофилла, величины концентраций которых менялись при этом на порядок (Рис. 5.32–5.34).

Рис. 5.31. Распределение относительной прозрачности поверхностного слоя озера

Иссык-Куль в конце июня 2017 г.

Рис. 5.32. Распределение концентраций взвешенного минерального вещества С_вмв

в поверхностном слое озера Иссык-Куль в конце июня 2017 г.

Рис. 5.33. Распределение концентраций взвешенного органического вещества С_вов в поверхностном слое озера Иссык-Куль в конце июня 2017 г.

Рис. 5.34. Распределение концентраций хлорофилла С_хл

в поверхностном слое озера Иссык-Куль в конце июня 2017 г.

Относительно большой диапазон изменений величины пигментного индекса ПИ, положительно связанного с возрастом клеток фитопланктона, свидетельствует о том, что на акватории озера фитопланктон находился на разных стадиях своего роста: от ранней (ПИ = 2,4) – вблизи г. Чолпон-Ата, до поздней (ПИ до 4,3) – в глубоководных районах (Рис. 5.35).

Рис. 5.35. Распределение величин пигментного индекса в поверхностном слое озера Иссык-Куль в конце июня 2017 г.

Рис. 5.36. Связи между относительной прозрачностью Z_б

и концентрациями С_вмв, С_вов и С_хл. Вертикальные пунктирные линии – границы между интервалами, для которых осреднены значения концентраций.

Темные квадраты – средние значения концентраций для соответствующего

интервала. Тонкие вертикальные линии – стандартные погрешности.

На рис. 5.36 графически представлены связи между величинами Z_б, С_вмв, С_вов и С_хл. Наличие этих связей объясняет сходство картин их распределения. Для выявления связей были рассчитаны средние значения концентраций для четырех интервалов по шкале Z_б: <4, 4-12, 12-16, >16.

Краткие выводы по главе 5. Положение максимума концентрации хлорофилла на поверхности озера изменчиво в сезонных и межгодовых масштабах, при этом в целом оно приурочено к речным устьям в восточной
части озера. Можно отметить низкие значения концентраций, соответствующие ультра-олиготрофному водоему. В прибрежных зонах, в связи с поступлением биогенов с суши, концентрация хлорофилла увеличивается. Минимальными наблюдаемыми концентрациями хлорофилла стабильно характеризуется центральная часть озера.

Общая картина распределения концентраций взвешенного органического вещества характеризуется выраженными максимумами в восточной части озера (палеорусла), у северо-западного берега (питающие озеро реки) и у западного берега в районе г. Балыкчи. Минимальные концентрации локализуются в центральной части озера.

Распределение концентраций минеральной взвеси имеет максимальную вариативность, как в пространственном, так и в количественном отношении. В целом концентрации минеральной взвеси крайне низкие, что обусловливает высокую прозрачность озерных вод. Наиболее прозрачные воды озера (видимость диска - до 19 м) находятся в южной его части, а зона с наименьшей прозрачностью расположена в западной прибрежной акватории, где видимость диска снижается до 6 м. В восточной части озера прозрачность имеет промежуточные значения.

В прибрежных зонах в связи с малой глубиной наблюдалось увеличение концентраций минеральной взвеси из-за наличествующего, хотя и малого, континентального стока, а также из-за перемешивания донных осадков в зоне прибоя. Максимумы за все рассматриваемые экспедиции приходятся на восточную часть озера в районе г. Каракол. При этом положение локальных максимумов приходится на разные части Иссык-Куля. В частности, в 2017 году повышенное содержание взвеси наблюдалось вдоль северо-восточного берега, достигая значений 10 мг/л и более, что не было характерно для предыдущих экспедиций.
В среднем концентрации взвеси в центральной части озера за все рассматриваемые годы находились в диапазоне значений 0.1–0.5 мг/л.