Новые измерения физико-химических параметров морской среды в связи с задачами мониторинга (августсентябрь 2000 г. )

2002

Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра

Том 130

Г.В.Шевченко, Г.А.Кантаков

НОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ СРЕДЫ В СВЯЗИ С ЗАДАЧАМИ МОНИТОРИНГА

В течение нескольких лет на северо-восточном шельфе о.Сахалин производятся работы по разведке запасов и промышленной добыче углеводородного сырья. Освоение морских месторождений нефти и газа, связанное с ним развитие хозяйственной деятельности в прибрежной зоне вызывают много вопросов и достаточно острые дискуссии в средствах массовой информации о характере воздействия на морскую среду. Несмотря на целый ряд работ на эту тему, появившихся в научной печати в последнее время (Ткалин и др., 1999; Кочергин и др., 2000), на многие вопросы не удается получить точных и убедительных ответов. В некоторой степени это связано с тем обстоятельством, что существующие оценки опираются преимущественно на судовые наблюдения, которые, в силу их ограниченности во времени, не позволяют выявить пространственно-временные характеристики распространения загрязняющих веществ. Сильно осложняет исследования в этом направлении значительная динамика рассматриваемого района, отличающегося большими скоростями и изменчивостью морских течений (Попудрибко и др., 1998; Кочергин и др., 1999).

СахНИРО с целью изучения изменений параметров морской среды при проведении буровых работ на северо-восточном шельфе о.Сахалин произвел постановку автономной буйковой станции (АБС) Diana на Пильтун-Астохской морской площади. Главной задачей данного эксперимента было изучение вариаций показателей качества морской воды и их связи со скоростью и направлением морских течений.

Организация измерений

АБС была оснащена гидроакустическим размыкателем и выставлена в притопленном варианте (рядом находился маркерный буй) с борта научно-исследовательского судна "Павел Гордиенко" 11 августа 2000 г. на Пильтун-Астохской морской площади в точке с координатами 52°52,852' с.ш. 143°31,77' в.д. Станция включала измеритель скорости течений Sontek Argonaut-MD гидроакустического типа, основанный на эффекте Доплера, соединенный с измерителем температуры и электропроводности SBE 37-SI MicroCat, а также зонд качества морской воды YSI6600 (рис. 1). Технические характеристики прибора Sontek, который находился на горизонте 15 м, позволяли измерять не только горизонталь-

95

ные составляющие, но и вертикальную компоненту скорости течения. Вероятно, данный эксперимент является первым опытом трехкомпонентных измерений течений не только в изучаемом районе, но и на всей акватории Охотского моря, поэтому анализу вертикальных движений уделялось особое внимание. Дискретность измерений составляла 5 мин.

Рис. 1. Схема компоновки АБС Diana Fig. 1. Scheme of autonomous mooring Diana design

Зонд YSI6600 был установлен в верхнем слое, выше системы из нескольких притопленных буев, обеспечивающих вертикальное положение троса, на котором были закреплены приборы. Вследствие такого способа крепления он под действием весьма сильных на Пильтун-Астохской площади приливных течений значительно отклонялся и соответственно изменял глубину своего положения. Это обстоятельство, весьма существенное для анализа полученных при помощи зонда данных (температуры, электропроводности, рН, концентрации кислорода, хлорофилла и мутности), можно учесть, так как YSI6600 имеет определитель горизонта измерения. Дискретность измерений данного прибора составляла 15 мин.

Измерения продолжались до 20 сентября 2000 г., когда станция была поднята на борт НИС "Дмитрий Песков". В период наблюдений проводилось разведочное бурение СПБУ "Сахалинской" на скважине Пиль-тун-Астохская № 18, которая находилась чуть более чем в 500 м к северо-северо-востоку от места установки АБС. Как будет показано ниже, такое расположение приборов не являлось оптимальным, так как основной поток имел преимущественно направление на юго-юго-восток или юго-восток, поэтому они были вне зоны наиболее вероятного распространения загрязняющих веществ, которая возникает при сбросе буровых растворов и других отходов с ПБУ.

Наблюдения за течениями

Проекции вектора скорости на параллель и меридиан представляют собой типичные записи сигнала, который содержит существенный вклад составляющей, обусловленной влиянием суточных приливов: в частности, наблюдается характерная для районов с преобладанием суточных прили-

96

вов хорошо выраженная двухнедельная изменчивость их величины. Эллипсы приливных течений для основных волн хорошо согласуются с таковыми, приведенными для Пильтун-Атохской площади ранее (Попудрибко и др., 1998; Путов, Шевченко, 1998; Кочергин и др., 1999). Поэтому рассмотрим гармонические постоянные скорости приливных течений для вертикальной компоненты, хотя их относительная доля в общей дисперсии этой составляющей незначительна - около 10 % (для сравнения - для зональной компоненты вклад приливов составляет около 60 %, а для меридиональной - более 90 %). Интересно отметить, что наибольшую амплитуду (0,45 см/с) имеет полусуточная гармоника М2, в то время как основные суточные волны 01 и К1 имеют примерно одинаковую величину около 0,36 см/с. К примеру, амплитуды этих волн для проекции на меридиан составляют соответственно около 6, 36 и 41 см/с. Таким образом, получается, что для основных суточных гармоник величина амплитуд для вертикальной компоненты составляет порядка 1 % от амплитуд меридиональной составляющей, в то время как для полусуточных волн М2 и S2 -примерно на порядок больше. Это свидетельствует о возможном влиянии внутренних волн на формирование полусуточных приливных течений на Пильтун-Астохской площади. Поскольку вклад полусуточных волн в приливные течения незначителен, а имеющие большие скорости суточные составляющие практически баротропны, данный факт влияния внутренних волн не был обнаружен в упомянутых выше работах, выявление подобной возможности является новым важным результатом.

0статочные ряды, полученные путем вычитания из исходных значений проекций вектора скорости предвычисленного прилива, содержат сравнительно низкочастотные вариации синоптического диапазона и относительно высокочастотные колебания, наиболее вероятный источник которых турбулентность. Аналогичные результаты получены для данного района и другими исследователями (Попудрибко и др., 1998; Кочергин и др., 1999). Эти составляющие оценивались различными способами.

Для характеристики высокочастотных вариаций вычислялись дисперсии и среднеквадратические отклонения с интервалом времени 1 ч. Средние значения вычисленного параметра составляют: для восточной компоненты - 3,0 см/с, для северной - 2,5 см/с и для вертикальной -1,1 см/с. Заметим, что приборные оценки стандартных отклонений, предусмотренные в режиме измерений аппаратуры Sontek, располагались в таком же порядке по величине.

Рассмотрим более медленные изменения поля скорости течений на Пильтун-Астохской площади (рис. 2). Среднесуточные векторы остаточного течения представлены в двух плоскостях: традиционной "восток-север" и менее принятой - "восток-вертикаль", - что позволяет судить о вариациях общего потока в пространстве.

В обычной плоскости среднесуточные векторы имеют практически постоянную юго-восточную ориентацию с наложением слабовыражен-ной циклической компоненты с периодом около недели, с определенным усилением течения и уменьшением восточной компоненты при переходе от лета к осени. Это согласуется с результатами предыдущих исследований (Кочергин и др., 1999), в которых на основе обобщения инструментальных измерений течений за ряд лет показано, что во второй половине сентября на Пильтун-Астохской площади наблюдается усиление скорости потока в южном направлении.

В плоскости "восток-вертикаль" следует отметить отрицательные показатели вертикальной компоненты, означающие, что течение ориен-

97

тировано не только на юго-юго-восток, но и вниз, другими словами, происходит "сваливание" вод с шельфа. Очевидно, такая ситуация возможна как компенсация восходящих потоков в придонных слоях, которые наблюдаются в изучаемом районе в виде проявления сезонного апвеллин-га, возникающего под действием преобладающих в летний период ветров юго-восточных румбов (Красавцев и др., 2000). В некоторые моменты скорость потока "вниз" возрастает, что, вероятно, является реакцией на усиление апвеллинга.

Остаточные течения. Среднесуточные вектора С

Верх

2? 2*, 24 3 4 5 1б 17 1*8*1^^Дни В

август сентябрь

I-1-1 Низ

0 10 20 см/с

Рис. 2. Среднесуточные векторы непериодической составляющей течения (из исходных рядов вычтен предвычисленный прилив) в плоскостях "восток-север" (верхний рисунок) и "восток-верх" (нижний) за период наблюдений на Пильтун-Астохской площади

Fig. 2. Daily average vectors of residual currents (tides were filtered) in the plans "east-north" (upper picture) and "east-up" (lower picture) during period of observations at the Pilrun-Astokh area

Измерения гидрологических и гидрохимических элементов

Прежде чем рассмотреть вариации параметров, которые измерялись в поверхностном слое, обратимся к рис. 3, демонстрирующему результаты определения глубины, на которой находился сам прибор. Как видно, измеритель (и соответственно горизонт измерения параметров морской среды) колебался в значительных пределах - от 5 до 11 м. Согласно полученным ранее данным (Охотское море ..., 1998; Красавцев и др., 2000), изучаемый район характеризуется значительными изменениями океанографических параметров, прежде всего температуры и солености, по вертикали и скачок плотности находится обычно на глубине 8-10 м от поверхности. Таким образом, при изменениях положения прибора охватываются области значительных изменений различных параметров, что необходимо иметь в виду при анализе результатов измерений.

Колебания глубины положения прибора обусловлены в основном влиянием приливного течения. Наибольшие значения глубины соответствуют максимальной скорости течения на юг (прилив), когда оно совпадает с общим потоком, обусловленным полем плотности. В тех случаях, когда приливное течение направлено на север (отлив), наблюдается незначительное увеличение глубины, ее минимальные значения соответствуют ситуациям, когда меридиональная компонента течения близка к нулю.

Значения температуры и солености измерялись не только в поверхностном горизонте, но и на измерителе течений, так что в данном слу-

98

чае мы имеем возможность сравнить результаты наблюдений в поверхностном и промежуточном слоях (рис. 4).

Рис. 3. Изменения глубины (метры) положения измерительного прибора YSI6600 в поверхностном слое

Fig. 3. Changes of the depth (in meters) of water quality monitor YSI6600 in the upper layer

11 — 10 - D epth

8 9 i—hh—гЙп Jr 1

6 vV iliil

5 12.08 — 17.08 -22.08 -27.08 1.09 -6.09 -11.09 -16.09

Изменения температуры и солености в проме жуточном слое

Рис. 4. Вариации температуры (T, °С) и солености воды (S, %о, шкала с правой стороны) в поверхностном и промежуточном слоях

Fig. 4. Variations of water temperature (°С) and salinity (%, scale right side) in the upper layer and middle layer

В поверхностном слое вариации температуры и солености весьма велики: диапазон изменения данных параметров составляет от 2 до 18 °С и от 25 до 32 %о. Интересно отметить, что для этих элементов наблюдается тесная обратная связь (коэффициент корреляции к = -0,91 при длине сравниваемых рядов около 3000 значений). Эта ситуация обусловлена тем, что для Пильтун-Астохской площади характерно влияние двух существенно различающихся по своим характеристикам водных масс: в нижних слоях относительно холодной и соленой и в верхних -более теплой и пресной, причем при определенных условиях возникает апвеллинг, и холодные воды выходят на поверхность (Боуден, 1988; Полупанов, 1999; Красавцев и др., 2000).

Самые низкие значения температуры воды (и соответственно высокие значения солености) приходятся на период с 17 по 27 августа, что обусловлено, вероятно, возникновением апвеллинга. В этот период вертикальные изменения океанологических характеристик были относительно невелики, поэтому не наблюдаются характерные для других моментов значительные вариации температуры и солености приливного проис-

99

хождения (что обусловлено, скорее всего, отмеченными выше изменениями горизонта измерения). Как будет показано ниже, ряд других параметров состояния морской среды (pH, содержание кислорода и хлорофилла) в этот период также резко снижается. Устойчивые низкие значения температуры отмечались в это время и в промежуточном слое.

Второй аналогичный период наблюдался 5-8 сентября, хотя понижение температуры не было таким значительным, и сменился в поверхностном слое с приходом теплой и пресной водной массы (самые низкие значения солености около 25 %о наблюдались в период с 10 по 12 сентября).

В целом на обоих горизонтах с момента окончания действия апвел-линга 27 августа до окончания измерений наблюдалась устойчивая тенденция к возрастанию температуры и соответственно понижению солености.

На рис. 5 представлены графики изменения концентрации кислорода в воде и pH. Очевидна тесная связь между температурой воды и содержанием pH (коэффициент корреляции k = 0,88), для которого характерно общее увеличение за период наблюдений (приблизительно от 8,2 до 8,6) при резком уменьшении в период апвеллинга (до 8,1). Между проявлениями апвеллинга достаточно велики колебания на частотах суточного прилива, обусловленные, скорее всего, изменениями глубины положения измерительного прибора.

Рис. 5. Изменения концентрации кислорода (DO, мл/л) и водородного показателя pH (шкала с правой стороны) в морской воде на Пиль-тун-Астохской площади

Fig. 5. Variations of concentration of

oxygen (DO, ml/l) and pH (scale right side) in the water in the Piltun-Astokh area

Концентрация кислорода, напротив, имела тенденцию к снижению, за исключением нескольких моментов, когда наблюдалось ее повышение. Помимо начального периода, когда содержание кислорода было относительно велико, значительное увеличение наблюдалось 25-28 августа, после прекращения первого случая апвеллинга, выраженного наиболее ярко. Некоторое повышение отмечено также 2-3 сентября - перед, и более существенное 8-10 сентября - после проявления второго случая апвеллинга.

Следует также отметить, что характерные для температуры, солености и pH колебания, обусловленные изменениями глубины положения измерителя под воздействием приливов, сравнительно слабо проявляются в вариациях содержания кислорода.

Изменения концентрации хлорофилла и мутности

На рис. 6 представлены графики изменений концентрации хлорофилла и мутности. Именно повышение содержания хлорофилла в морс-

кой воде может быть одной из естественных причин вариаций мутности, однако ни сопоставление графиков, ни вычисление коэффициента корреляции (k = 0,19) не указывают на наличие тесной связи.

Рис. 6. Изменения концентрации хлорофилла (мкг/л) и показателя мутности (NTU, шкала с правой стороны) в морской воде на Пильтун-Астохс-кой площади

Fig. 6. Variations of concentration of chlorophyll (mg/l) and turbidity (NTU, scale right side) in the water in the Piltun-Astokh area

Изменения содержания хлорофилла, на первый взгляд, в большей степени связаны с концентрацией кислорода в воде. По крайней мере, все моменты повышения их концентрации (за исключением резкого увеличения концентрации хлорофилла 16 сентября) совпадают, но в отличие от кислорода, имеющего общую устойчивую тенденцию к понижению, для хлорофилла она, скорее, противоположна, хотя и выражена сравнительно слабо. Следствием различия общих тенденций является низкая корреляция между этими параметрами (k = 0,07), что могло показаться несколько странным при наличии ряда совпадающих моментов возрастания. Интересно, что отмеченное выше резкое повышение содержания хлорофилла приходится на единственный за период наблюдений момент, когда среднесуточный вектор скорости течения (см. рис. 2) был ориентирован от буровой в сторону АБС, хотя делать выводы о наличии связи между этими двумя обстоятельствами мы не имеем достаточных оснований.

Обнаружить какую-либо взаимосвязь вариаций показателя мутности воды с другими измеряемыми параметрами не удалось. Этот элемент оказался единственным, не отреагировавшим на резкое понижение температуры и повышение солености при ярко выраженном апвеллинге 17-25 августа. Показатель мутности колеблется в широких пределах: при среднем значении около 0,6 и среднеквадратическом отклонении около 0,61 имеется довольно много случаев превышения значения 2 и 3 и даже несколько случаев - значения 5.

Случаи резких увеличений значения показателя мутности, как и общий характер его изменения, не удается связать с изменениями других параметров среды, которые измерялись в ходе данного эксперимента. Поэтому весьма вероятно, что значительные повышения являются результатом сбросов загрязняющих веществ с буровой установки. Для более надежного установления взаимосвязи мы, однако, не располагаем необходимой информацией о времени и объемах сбросов, что не позволяет судить о влиянии последних на параметры среды с большей определенностью.

Необходимо отметить, что возможен еще один источник повышения мутности в изучаемом районе - это вынос взвеси из зал. Пильтун, который может усиливаться при некоторых метеорологических ситуациях,

101

например в случае сильных дождей. Однако, как было показано выше на рис. 2, наблюдаемое направление течений практически полностью исключает такую возможность.

В любом случае, имея наблюдения в одной точке, мы можем судить о развитии процессов во времени, но не в пространстве. Несмотря на важность полученных результатов, в этом смысле очевидна их ограниченность. Для более определенных выводов необходимо производить аналогичные измерения одновременно в нескольких точках либо дополнять одноточечные измерения несколькими судовыми площадными съемками.

Литература

Боуден К. Физическая океанография прибрежных вод. - М.: Мир, 1988. - 322 с.

Кочергин И.Е., Рыбалко С.И., Путов В.Ф., Шевченко Г.В. Некоторые результаты обработки инструментальных наблюдений за течениями на Пильтун-Астохской и Аркутун-Дагинской площадях северо-восточного шельфа Сахалина // Гидрометеорологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду. - Владивосток: Дальнаука, 1999. - Вып. 2. - С. 96-113.

Кочергин И.Е., Богдановский A.A., Гаврилевский А.В. и др. Характеристика воздействия сбросов сточных вод на морскую среду при разработке нефтегазовых месторождений на шельфе Сахалина // Гидрометеорологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду. - Владивосток: Дальнаука, 2000. - Вып. 3. - С. 178-189.

Красавцев В.Б., Пузанков К.Л., Шевченко Г.В. Формирование ап-веллинга на северо-восточном шельфе острова Сахалин под воздействием ветра // Гидрометеорологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду. - Владивосток: Дальнаука, 2000. -Вып. 3. - С. 106-120.

Охотское море. Гидрометеорологические условия: Серия Гидрология и гидрохимия морей. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. - Т. 9. - 342 с.

Полупанов П.В. Возникновение и существование апвеллинга у северовосточного побережья острова Сахалин // 11-я Всерос. конф. по промысловой океанологии: Тез. докл. - М.: ВНИРО, 1999. - С. 36.

Попудрибко К.К., Путов В.Ф., Шевченко Г.В. Оценка характеристик морских течений на Пильтун-Астохской морской площади (северо-восточный шельф о. Сахалин) // Метеорология и гидрология. - 1998. - № 4. - C. 82-95.

Путов В.Ф., Шевченко Г.В. Особенности приливного режима на северо-восточном шельфе о. Сахалин // Гидрометеорологические процессы на шельфе: оценка воздействия на морскую среду. - Владивосток: Дальнаука, 1998. -C. 61-82.

Ткалин А.В., Ройл Д.Дж., Сергушева О.О. Некоторые результаты экологического мониторинга Пильтун-Астохской площади в 1998 году // Гидрометеорологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду. - Владивосток: Дальнаука, 1999. - Вып. 2. - С. 145-160.

Поступила в редакцию 26.11.01 г.