Победители целевого конкурса — ученые ФИЦ «КНЦ СО РАН» предложат сценарии управления качеством воды в Абаканской протоке

07 октября 2020

Красноярский краевой фонд науки подвел итоги Целевого конкурса прикладных научных исследований, направленных на решение проблем городского развития. Среди победителей — проект ученых ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» «Разработка сценариев управления рекреационным потенциалом Абаканской протоки реки Енисей в Красноярске на основе мониторинга ее экологического состояния и математического моделирования».

В течение ближайшего года ученые разработают математическую модель, с помощью которой можно будет планировать действенные меры по очистке протоки и поддержанию в ней воды заданного качества. Об особенностях реализации проекта и основных принципах построения подобных математических моделей рассказывает руководитель проекта, академик РАН, директор Института биофизики СО РАН Андрей Дегерменджи.

В чем основная суть проекта, как можно управлять водоемом?

Выработка рекомендаций по управлению состоянием экосистем – сравнительно новая задача для науки. Под управлением понимаются научные принципы и методы, на основании которых предлагаются сценарии активного улучшения состояния водоема. Далее, с опорой на полученные «рецепты», определяются задачи инженерного или экологического вмешательства в экосистему, которые должны привести к заданной цели. Конечно, масштаб и стоимость этапов зависят от физических размеров объекта и типа экосистемы. Например, из общих соображений, ликвидация «цветения» микроводоросли спирогиры на Байкале потребует больших затрат, чем «спасение» маленького водоема.

На чем основана уверенность, что у ученых все получится и их рекомендации будут полезны?

В прошлом группа красноярских биофизиков и гидробиологов впервые в России достигла существенного улучшения качества воды Кантатского водохранилища в Железногорске и водохранилища на реке Бугач в черте Красноярска. Сначала ученые разработали математические модели, которые позволили предложить сценарии управления качеством воды. Позже как своими силами, так и силами городских служб эти меры были внедрены в практику.

В случае Абаканской протоки мы должны реализовать первый этап: предложить научно обоснованные сценарии управления. Здесь важно значительно улучшить качество воды. Сейчас наблюдается сильное развитие микроводорослей и ухудшение ряда биохимических параметров, из-за которых контролирующие органы закрывают протоку как рекреационный объект в летнее время.

Исследования начинаются с детального физико-химического и биологического мониторинга за состоянием экосистемы. Специалисты отбирают пробы воды в разное время и на разных глубинах чтобы проследить за развитием основных обитателей водоема: водорослей, бактерий, рачков. Химики оценивают концентрации органических и питательных веществ. Гидрофизики оценивают скорости течений, составляют карту глубин, измеряют потоки веществ и воды на границе протоки (сброс ТЭЦ, проточность с двух сторон Енисея). 

Взяв за основу мониторинг, наши знания и прошлые проекты, мы создали теоретическую схему взаимодействий в экосистеме. Для более качественных результатов в нашей и мировой практике часто дополнительно проводят лабораторные исследования. Например, измеряют в контролируемых условиях скорости роста видов водорослей, которые вызывают цветение воды. Такие данные нужны для будущих рычагов управления. Из-за экстренности и высокой стоимости экспериментальных работ мы их пока не проводим.

Далее теоретическая схема и данные наблюдений переходят в руки специалистов в области математического моделирования. Они создают две главные математические модели: гидрофизическую –течений и перемешиваний воды; и экологическую –взаимодействия живых организмов. Обе создаются по принципу минимальной внутренней сложности и их адекватность проверяется, сравнивая результаты расчетов с данным мониторинга. На этой стадии используются специальные алгоритмы повышения точности модели. Точно так же ранее нами была построена модель цветения Сыдинского залива Красноярского водохранилища. После этого модель как инструмент выработки сценариев воздействия на водоем и принятия решений по управлению качеством воды готова.

Какие возможные сценарии развития ситуации вы рассматриваете, сможет ли Абаканская протока быть чистой?

Для Абаканской протоки главные сценарии – характер регулируемой проточности на входе со стороны Енисея, изменение расположения сбросов ТЭЦ, включая объем и температуру сбрасываемой воды. Интрига управления качеством воды в протоке должна строиться на такой комбинации входных потоков и температур, чтобы уменьшить цветение и при этом не выйти из комфортных условий по температуре воды. Есть еще потенциальный сценарий нового расположения трубы сброса теплых вод ТЭЦ, который также будет просчитан. За лето 2020 года была проведена физическая очистка протоки, выравнена часть береговой линии и другое. Эти изменения ложа приведут к изменению структуры течения и другим последствиям и будут учтены в модели.

Есть ли у проекта возможности для масштабирования, где еще могут пригодиться подобные разработки?

Созданная модель частично может быть применена на других подобных объектах, например, на Минусинской протоке. При этом надо помнить, что без этапа мониторинга и настройки математической модели на конкретный водоем такой проект не выполнить, поскольку у каждой экосистемы имеется масса индивидуальных свойств. Конечно, можно говорить о создании универсального списка методов и работ первого этапа, включая разработку универсальной компьютерной эколого-гидрофизической модели, адаптируемой на уровне дружелюбного интерфейса для решения проблем с качеством воды в любом водоеме. Но это долговременная задача.

 Если говорить о практической реализации, насколько дороги меры по управлению водоемом, и что нужно для их внедрения кроме научного прогноза?

В рамках гранта по Абаканской протоке мы не проводим экономической оценки необходимых затрат. Это не сложно будет сделать другим специалистам на основании предложенных оптимальных сценариев управления качеством воды. Инженерное воплощение предложенных сценариев – также вопрос отдельной работы узких специалистов. Следует заметить, что принятые сценарии управления должны постоянно поддерживаться службами города на должном уровне, иначе водоем вернется в прежнее состояние. 

Источник: ФИЦ КНЦ СО РАН