Арт. OXY-1 SMA
Измерение потоков кислорода in situ с помощью оборудования PreSens
- Дэвид Плью, Национальный институт водных и атмосферных исследований (NIWA), Крайстчерч, Новая Зеландия
- Мартин С. Гутброд, PreSens Precision Sensing GmbH, Регенсбург, Германия
Размещение лососевых ферм сопровождается поступлением на морское дно органического вещества, которое способно существенно влиять на экологическое состояние донных экосистем. При слишком высокой скорости накопления органических отложений в осадках происходят неблагоприятные, а иногда и серьезные геохимические и экологические изменения.
Во многих регионах именно воздействие на донные сообщества становится фактором, ограничивающим допустимый объем производства на лососевых фермах. Предельно допустимая органическая нагрузка на донные осадки во многом определяется гидродинамическими условиями. При высоких скоростях течения органический материал распределяется по большей площади, что снижает локальную нагрузку на дно. Кроме того, течение способствует повторному взмучиванию осадков и более эффективному насыщению их кислородом, благодаря чему экосистема способна перерабатывать большее количество органического вещества.
В рамках данного исследования измерялись потоки кислорода между придонной водой и донными осадками вблизи лососевых ферм, а также анализировалась их взаимосвязь с гидродинамическими условиями и степенью обогащения осадков органическими веществами. Конечной целью работы является разработка модели, позволяющей прогнозировать безопасную интенсивность эксплуатации лососевых хозяйств для новых и действующих площадок с учетом особенностей гидродинамики.
Методика
Для исследования требовалось проводить измерения потоков кислорода непосредственно in situ в естественных условиях. Для этого использовался метод вихревой ковариации (eddy covariance).
Потоки кислорода определяли на основании совместного анализа концентрации растворенного кислорода и скорости движения воды в придонном слое. В качестве измерительной системы применялась быстродействующая оптическая система OXY Flux с микрооптодом ECO-PSt7 (PreSens GmbH). Датчик располагался рядом с измерительным объемом акустического доплеровского велосиметра Nortek Vector. Оба прибора устанавливались на донной штативной платформе, при этом область измерений находилась примерно в 15 см над поверхностью морского дна.
Сигнал с кислородного датчика записывался непосредственно велосиметром. Штатив размещали с небольшого судна длиной 6–7 м на глубинах 25–30 м. Потоки кислорода рассчитывали методом вихревой ковариации, после чего результаты сопоставляли с анализом проб донных осадков на содержание углерода, азота, фосфора и свободных сульфидов.
Измерения проводились на участках лососевых хозяйств с различной скоростью придонного течения: высокой — 7–15 см/с, низкой — 1–5 см/с. Продолжительность каждого измерения составляла 24–36 часов.
Рис. 1. Размещение донной платформы для измерений методом вихревой ковариации в заливе Пелорус-Саунд (Новая Зеландия) (слева); увеличенное изображение измерительного узла с системой OXY Flux и игольчатым кислородным оптодом (PreSens GmbH), установленными в зоне потока акустического доплеровского велосиметра Nortek (справа).
Результаты
Большая часть данных на текущем этапе исследования была получена на участках с низкой скоростью течения. На этих участках наблюдалось увеличение потока кислорода в донные осадки (отрицательные значения потока) по мере роста показателей органического загрязнения, таких как содержание твердофазного азота и свободных сульфидов (рис. 2).
Кроме того, было установлено, что величина потока кислорода зависит от скорости движения воды. По мере уменьшения скорости течения интенсивность кислородного потока также снижалась (рис. 3).
На исследуемых глубинах освещенность была недостаточной для развития фотосинтетической активности донных организмов, поэтому положительные потоки кислорода, связанные с первичной продукцией, не наблюдались.
Рис. 2. Потоки кислорода между водой и донными осадками в зависимости от содержания твердофазного азота (A) и свободных сульфидов (B) на участках с высокой и низкой скоростью течения. Более высокие потоки кислорода в осадки соответствуют более высокой степени органического обогащения донных отложений.
Рис. 3. Временные ряды скорости придонного течения и потоков кислорода, зарегистрированные вблизи лососевой фермы на глубине около 30 м. По мере снижения скорости течения поток кислорода в осадки уменьшается.
Заключение
Предварительные результаты подтверждают, что как степень органического обогащения донных осадков, так и скорость придонных течений оказывают существенное влияние на величину потоков кислорода в донные отложения под лососевыми фермами.
Измерение потоков кислорода in situ хорошо коррелирует со степенью воздействия на донную экосистему и может использоваться в качестве эффективного инструмента экологического мониторинга и оценки состояния морского дна.
В настоящее время продолжается сбор данных на участках с высокой скоростью течения, что позволит более точно разделить влияние гидродинамических условий и органической нагрузки, а также разработать модели прогнозирования допустимых скоростей осаждения органического материала, обеспечивающих сохранение экологического состояния донных экосистем.
Быстродействующие оптические датчики кислорода показали высокую надежность и эффективность при проведении подобных измерений. Одним из ключевых преимуществ системы OXY Flux является миниатюрный размер сенсора, практически не влияющий на структуру потока воды и не чувствительный к изменению направления течения. Благодаря этому измерительные платформы могут работать на морском дне в течение нескольких приливно-отливных циклов без необходимости переориентации оборудования при изменении направления течения.
