Локальные изменения физико-биологических параметров поверхностных вод Севастопольской бухты под влиянием ливневого стока

А. В. Багаев1,✉, В. В. Никишин1, Т. В. Рауэн2, Л. В. Вержевская1, С. В. Щербаченко1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Институт биологии южных морей РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: a.bagaev1984@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Оценка временного и пространственного масштабов изменений физико-биологических параметров поверхностного слоя морской воды в ближайшей окрестности выпуска дождевого стока городской канализационной сети в Севастопольской бухте – цель данной работы.

Методы и результаты. Район исследований был ограничен Севастопольской бухтой. Измерения проводились в местах выпусков ливневой канализации (Артиллерийская бухта, Аполлонова бухта, бухта Голландия). С помощью беспилотного надводного аппарата определяли температуру и соленость по датчику ТМА-21. Станции располагались на прямой по нормали к берегу от места выпуска ливневой канализации. Количественный и размерный состав частиц общей взвеси и бактериопланктона определяли с помощью проточного цитометра Cytomics TM FC 500. Показано, что температура воды меняется в пределах 1,5°C и ее горизонтальный градиент слабо выражен. В поле солености градиент достигал 0,5. Максимальные концентрации взвешенного вещества определены в вершинной части Артиллерийской бухты (~ 0,5 × 106 част.·мл–1). Размеры частиц взвеси составляли 0,5–2,5 мкм. Концентрации бактерий в ливневой воде соответствовали летним максимумам, наблюдаемым в Севастопольской бухте (0,9 × 106–2,8 × 106 кл.·мл–1). Поступление ливневых вод в бухту приводило к изменениям численности пикофитопланктона (в 2–6 раз).

Выводы. Протестирована методика применения беспилотных надводных аппаратов для оперативного локального мониторинга состояния морской воды в районах выпусков ливневой канализации. Данные об изменении солености могут служить индикатором интенсивности выпуска стока и могут быть использованы для прогнозирования воздействия ливневых стоков при реконструкции/переносе канализационной сети. Концентрация взвеси и микроорганизмов в поверхностных водах бухты восстанавливается спустя сутки после сильного дождя, поэтому для оперативной оценки влияния потенциально опасных или аварийных сбросов необходимо проведение оперативных измерений с использованием беспилотных надводных аппаратов.

Ключевые слова

Севастопольская бухта, ливневый сток, беспилотный надводный аппарат, сестон, бактериопланктон, температура, соленость

Благодарности

Экспедиционные исследования, накопление и оценка качества данных выполнены при поддержке гранта РФФИ и г. Севастополя № 20-45-920019. Дополнительная обработка, визуализация и анализ данных выполнены в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № 0555-2021-0005. Обработка данных на проточном цитометре и анализ результатов выполнены при поддержке темы госзадания ФИЦ ИнБЮМ № 121030300149-0. Авторы благодарят В. С. Муханова и Е. О. Сахонь за помощь при проведении цитометрии.

Для цитирования

Локальные изменения физико-биологических параметров поверхностных вод Севастопольской бухты под влиянием ливневого стока / А. В. Багаев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 2. С. 165–184. EDN DTNJVC. doi:10.22449/0233-7584-2022-2-165-184

Bagaev, A.V., Nikishin, V.V., Rauen, T.V., Verzhevskaya, L.V. and Scherbachenko, S.V., 2022. Local Changes of Physical and Biological Parameters of the Sevastopol Bay Surface Waters under the Influence of Rain Drainage. Physical Oceanography, 29(2), pp. 152-171. doi:10.22449/1573-160X-2022-2-152-171

DOI

10.22449/0233-7584-2022-2-165-184

Список литературы

  1. Kumar P. Water Quality Assessments for Urban Water Environment // Water. 2021. Vol. 13, iss. 12. 1686. https://doi.org/10.3390/w13121686
  2. A New Approach for Detecting and Mapping Sewage Impacts / S. D. Costanzo [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 2001. Vol. 42, iss. 2. P. 149–156. https://doi.org/10.1016/S0025-326X(00)00125-9
  3. Chunye W., Delu P. Zoning of Hangzhou Bay ecological red line using GIS-based multi-criteria decision analysis // Ocean & Coastal Management. 2017. Vol. 139. P. 42–50. https://doi.org/10.1016/j.ocecoaman.2017.01.013
  4. Özdemir N., Döndü M., Doğan H. M. Investigation some physico-chemical properties of the freshwater sources feeding the Bay of Gökova in Turkey by Geographic Information Systems // Сахаровские чтения 2018 года: экологические проблемы XXI века. Минск, 17–18 мая. 2018 г. С. 12–14. URL: https://elib.bsu.by/handle/123456789/204106 (date of access: 01.03.2022).
  5. Coastal Management Tools and Databases for the Sevastopol Bay (Crimea) / S. Konovalov [et al.] // Proceedings of the Tenth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment / Ed. E. Ozhan. Medcoast 11. 25–29 October 2011. Rhodes, Greece. Vol. 1. Р. 145–156.
  6. Water quality integrated system: A strategic approach to improve bathing water management / P. P. Penna [et al.] // Australian Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 295, iss. 2. 113099. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113099
  7. Identifying Sources of Faecal Contamination in a Small Urban Stream Catchment: A Multiparametric Approach / L. J. Reynolds [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. 661954. doi:10.3389/fmicb.2021.661954
  8. Marine water quality of a densely populated Pacific atoll (Tarawa, Kiribati): Cumulative pressures and resulting impacts on ecosystem and human health / C. A. Graves [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 2021. Vol. 163. 111951. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2020.111951
  9. Meng F., Saagi R. Integrated modelling and control of urban wastewater systems // Water-Wise Cities and Sustainable Water Systems: Concepts, Technologies, and Applications / Eds.: X. C. Wang, G. Fu. London : IWA Publishing, 2021. P. 259–279. https://doi.org/10.2166/9781789060768_0259
  10. Nutrient dynamics and eutrophication in the Sea of Marmara: Data from recent oceanographic research / B. Yalçın [et al.] // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 601–602. P. 405–424. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.05.179
  11. Tan İ., Aslan E. Metal pollution status and ecological risk assessment in marine sediments of the inner Izmit Bay // Regional Studies in Marine Science. 2020. Vol. 33. 100850. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2019.100850
  12. Моисеенко О. Г., Коновалов С. К., Орехова Н. А. Индексы оценки экологического статуса бухт в общей стратегии управления прибрежной средой в целях ее устойчивого развития на примере б. Севастопольской (Черное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2013. Вып. 27. С. 399–402.
  13. Радиоэкологический мониторинг плутония в донных отложениях севастопольских бухт / Н. Н. Терещенко [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2013. Вып. 27. С. 289–293.
  14. Миронов О. А., Муравьева И. П., Миронова Т. О. Нефтяное загрязнение берегов Севастополя // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2012. Вып. 26–1. С. 212–216.
  15. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты в условиях антропогенного воздействия (по наблюдениям 1998–1999 гг.) / Е. И. Овсяный [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2000. Вып. 1. С. 79–103.
  16. О перспективах и возможностях оценки самоочистительной способности акватории Севастопольской бухты / Е. Е. Совга [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2014. Вып. 28. С. 153–164.
  17. Совга Е. Е., Хмара Т. В. Влияние стока реки Черной в периоды паводка и межени на экологическое состояние кутовой части акватории Севастопольской буxты // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 1. С. 31–40. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-1-31-40
  18. Основные источники загрязнения морской среды Севастопольского региона / Е. И. Овсяный [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2001. Вып. 2. С. 138–152.
  19. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. IV : Черное море. Вып. 3 : Современное состояние загрязнения вод Черного моря / Под ред. А. И. Симонова, А. И. Рябинина. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 1996. 230 с.
  20. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В. А. Иванов [и др.]. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2006. 90 с. URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/gidrologo-gidrohimicheskij_rezhim_sevastopolskoj_buhty_2006.pdf (дата обращения: 28.02.2022).
  21. Источники загрязнения прибрежных вод Севастопольского района / В. М. Грузинов [и др.] // Океанология. 2019. Т. 59, № 4. С. 579–590. doi:10.31857/S0030-1574594579-590
  22. Современное состояние и тенденции изменения экосистемы Севастопольской бухты / Е. В. Павлова [и др.] // Акватория и берега Севастополя: экосистемные процессы и услуги обществу. Севастополь : Аквавита, 1999. С. 70–94. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/5248 (дата обращения: 22.02.2022).
  23. Миронов О. Г., Кирюхина Л. Н., Алемов С. В. Санитарно-биологические аспекты экологии севастопольских бухт в ХХ веке. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003. 185 с. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/1466 (дата обращения: 18.02.2022).
  24. Сезонные особенности гидролого-гидрохимической структуры вод Севастопольской бухты, микропланктон и распределение его биохимических компонент (Черное море, наблюдения 2004–2005 гг.) / А. С. Лопухин [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2007. Вып. 15. С. 74–109.
  25. A new method for analyzing microplastic particle size distribution in marine environmental samples / V. S. Mukhanov [et al.] // Ecologica Montenegrina. 2019. Vol. 23. P. 77–86. https://doi.org/10.37828/em.2019.23.10
  26. Вержевская Л. В., Миньковская Р. Я. Структура и динамика антропогенной нагрузки на прибрежную зону Севастопольского региона // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 2. С. 92–106. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-92-106
  27. Индексы и показатели экологического статуса Севастопольской бухты / О. Г. Моисеенко [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 5 : География. 2015. Вып 4. С. 42–49. URL: https://vestnik5.geogr.msu.ru/jour/article/view/155 (дата обращения: 03.03.2022).
  28. Поиск оптимального расположения проектируемых выпусков городской канализации в Севастопольской бухте с помощью численного моделирования и геоинформационного анализа / Ю. Н. Рябцев [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2021. № 1. С. 111–128. doi:10.22449/2413-5577-2021-1-111-128
  29. Moreira-Turcq P., Martin J. M., Fleury A. Chemical and biological characterization of particles by flow cytometry in the Krka estuary, Croatia // Marine Chemistry. 1993. Vol. 43, iss. 1–4. P. 115–126. https://doi.org/10.1016/0304-4203(93)90219-E
  30. Moreira-Turcq P. F., Martin J. M. Characterisation of fine particles by flow cytometry in estuarine and coastal Arctic waters // Journal of Sea Research. 1998. Vol. 39, iss. 3–4. P. 217–226. https://doi.org/10.1016/S1385-1101(97)00053-1
  31. Evaluation of a flow cytometry method to determine size and real refractive index distributions in natural marine particle populations / J. Agagliate [et al.] // Applied Optics. 2018. Vol. 57, iss. 7. P. 1705–1716. http://doi.org/10.1364/AO.57.001705
  32. A innovative semi-immergible USV (SI-USV) drone for marine and lakes operations with instrumental telemetry and acoustic data acquisition capability / F. M. Raimondi [et al.] // OCEANS 2015-Genova. 2015. P. 1–10. doi:10.1109/OCEANS-Genova.2015.7271595
  33. Geng C., Li G., Xu H. A Platform for Coastline Monitoring System by Unmanned Surface Vessel // 3rd International Symposium on Autonomous Systems (ISAS). 2019. P. 177–180. doi:10.1109/ISASS.2019.8757775
  34. Design of a Twin Hull Based USV with Enhanced Maneuverability / M. Blaich [et al.] // IFAC Proceedings Volumes. 2013. Vol. 46, iss. 33. P. 1–6. https://doi.org/10.3182/20130918-4-JP-3022.00056
  35. Design, Development and Testing of the Modular Unmanned Surface Vehicle Platform for Marine Waste Detection / J. Vasilj [et al.] // Journal of Multimedia Information System, 2017. Vol. 4, iss. 4. P. 195–204. https://doi.org/10.9717/JMIS.2017.4.4.195
  36. Yoder N., Preston V., Michel A.P.M. The PEST: Platform for Environmental Sensing Technology // OCEANS 2019 - Marseille. 2019. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/OCEANSE.2019.8867366
  37. Пруидзе Р. С., Шишкин Е. М. Роботизированная водная беспилотная лаборатория для мониторинга малых водоемов естественного и искусственного происхождения // Метеорология и гидрология. 2020. Вып. 11. С. 122–124.
  38. Spatial Structure, Short-temporal Variability, and Dynamical Features of Small River Plumes as Observed by Aerial Drones: Case Study of the Kodor and Bzyp River Plumes. / A. Osadchiev [et al.] // Remote Sensing, 2020. Vol. 12, iss. 18. 3079. https://doi.org/10.3390/rs12183079
  39. Osadchiev A., Zavialov P. Structure and Dynamics of Plumes Generated by Small Rivers // Estuaries and Coastal Zones - Dynamics and Response to Environmental Changes / Eds. J. Pan, A. Devlin. London : IntechOpen, 2019. https://doi.org/10.5772/intechopen.87843
  40. Nikishin V., Durmanov M., Skorik I. Autonomous Unmanned Surface Vehicle for Water Surface Monitoring // TransNav the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. 2020. Vol. 14, iss. 4. P. 853–858. doi:10.12716/1001.14.04.09
  41. Nikishin V., Durmanov M., Skorik I. Low-Cost Unmanned Surface Vehicle for Autonomous Bathymetric Surveillance // The 1st International Conference on Maritime Education and Development. / Eds. S. Bauk, S. D. Ilčev. Cham : Springer, 2021. P. 83–91. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64088-0_8
  42. Никишин В. В., Дурманов М. А. Структура низко- и высокоуровневого программного обеспечения беспилотного морского аппарата // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: сб. науч. тр. / под ред. Ю. Б. Гимпилевича. Москва-Севастополь : Изд-ва: РНТОРЭС им. А. С. Попова, СевГУ, 2019. № 2. С. 74. URL: https://rt-sevastopol.ru/conf2019isbn/articles/001-016.pdf (дата обращения: 01.03.2022).
  43. Shishkin I. E., Grekov A. N., Nikishin V. V. Intelligent Decision Support System for Detection of Anomalies and Unmanned Surface Vehicle Inertial Navigation Correction // 2019 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2019. P. 1–6. doi:10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867601
  44. Рауэн Т. В., Багаев А. В. Оценка концентрации и качественного состава взвеси в Севастопольской бухте с помощью проточного цитометра // Комплексные исследования Мирового океана: Материалы VI Всероссийской научной конференции молодых ученых, Москва, 18–24 апреля 2021 г. Москва : Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук, 2021. С. 302–303. URL: https://doi.ocean.ru/pdf/kimo2021.pdf (дата обращения: 18.02.2022).
  45. Enumeration and Cell Cycle Analysis of Natural Populations of Marine Picoplankton by Flow Cytometry Using the Nucleic Acid Stain SYBR Green I / D. Marie [et al.] // Applied and Environmental Microbiology. 1997. Vol. 63, iss. 1. P. 186–193. https://doi.org/10.1128/aem.63.1.186-193.1997
  46. Gasol J. M., Del Giorgio P. A. Using flow cytometry for counting natural planktonic bacteria and understanding the structure of planktonic bacterial communities // Scientia Marina. 2000. Vol. 64, iss. 2. P. 197–224. https://doi.org/10.3989/scimar.2000.64n2197
  47. Marie D., Simon N., Vaulot D. Phytoplankton cell counting by flow cytometry // Algal culture techniques / Ed. R. A. Andersen. Cambridge : Academic Press, 2005. P. 253–267.
  48. Михайлова Э. Н., Шапиро Н. Б. Воспроизведение пространственно-временной изменчивости термохалинных полей в Севастопольской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 5. С. 23–39.
  49. Белокопытов В. Н., Кубряков А. И., Пряхина С. Ф. Моделирование распространения загрязняющей примеси в Севастопольской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 5–15. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-5-15
  50. Овсяный Е. И., Орехова Н. А. Гидрохимический режим реки Черной (Крым): экологические аспекты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 1. С. 82–94. doi:10.22449/0233-7584-2018-1-82-94
  51. Terrestrial sources homogenize bacterial water quality during rainfall in two urbanized watersheds in Santa Barbara, CA / B. Sercu [et al.] // Microbial Ecology. 2011. Vol. 62, iss. 3. P. 574–583. doi:10.1007/s00248-011-9874-z
  52. Coastal bacterioplankton community dynamics in response to a natural disturbance / S. K. Yeo [et al.] // PloS one. 2013. Vol. 8, iss. 2. e56207. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0056207
  53. Структура и происхождение подводного плюма вблизи Севастополя / В. Г. Бондур [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, вып. 4. С. 42–54. doi:10.7868/S2073667318040068

Скачать статью в PDF-формате