Application of a robotic underwater probe for limnological research. A case study of Lake Glubokoe, Ruzsky District, Moscow Region

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Одно из самых глубоких озер Подмосковья – Глубокое исследуется со второй половины XIX в. [11]. Оно имеет ледниково-карстовое происхождение [5] и расположено в ложе Тростенской впадины, которая, в свою очередь, может иметь тектоническое происхождение [2].

В 1960-х гг. в ходе гидромелиорации, проведенной на болотистом водосборе озера, поверхностный сток был отведен системой канав напрямую в р. Малая Истра, в результате чего уровень озера понизился. Считается, что в настоящее время водное питание озеро получает за счет грунтового стока, склонового стока талых вод и атмосферных осадков [9]. Не исключается, что свою роль играют и подводные родники, но этот вопрос остается малоизученным.

Глубокое озеро относительно небольшое по площади (593 тыс. м²), дно имеет характерную форму с подводной террасой глубиной до 8–10 м и шириной 100–300 м, заканчивающуюся резким свалом в центральной чашеобразной котловине диаметром в нижней части 150–200 м, с максимальными глубинами 30–32 м от уреза воды. Геоморфология дна озера способствует развитию явлений застойности вод гиполимниона в летнее и зимнее время. По характеру вентиляции вод оз. Глубокое относится к димиктическим водоемам с двумя периодами полного перемешивания – весной после схода льда и осенью [7, 8].

Несколько лет назад интерес к динамическим процессам в оз. Глубоком возник снова. С июня 2017 г. начались гидрологические исследования с помощью современных приборов производства компании “YSI Inc.” (США) [6]. В ходе мониторинга в безледный период года регулярно 1–2 раза в месяц проводятся наблюдения на рейдовой вертикали в центральной котловине озера. В состав наблюдений входят измерения нижеследующих параметров: температуры воды, содержания растворенного в воде кислорода, величины pH, а также прозрачности воды с помощью диска Секки. Проводится отбор проб из поверхностного, придонного слоев и на трех промежуточных горизонтах с целью последующего гидрохимического анализа.

Современные данные о вертикальных распределениях температуры, кислорода и прозрачности вод, а также об уровне воды оз. Глубокого в теплые полугодия (с апреля по октябрь) 2017–2021 гг. были приведены в работе [3]. Согласно этим данным, водная толща озера наиболее равномерно насыщена кислородом весной. В летний сезон оксиклин обычно располагается на глубинах 5–8 м, а в октябре заглубляется. В августе–сентябре 2017, 2018 и 2020 гг. отмечен промежуточный минимум кислорода. Глубокая зона низкой концентрации кислорода (< 1 мг/л) наблюдается в гиполимнионе примерно с середины июля, причем глубина залегания верхней границы этой зоны может сильно варьировать от года к году.

Эпизодичные ежемесячные наблюдения позволили получить данные об эволюции гидрологических условий на временных масштабах > 1 мес. в теплое время года, но при этом процессы развития гипоксии на масштабах от нескольких часов до нескольких суток остались не исследованными. Редкие измерения не позволяют изучать процессы перемешивания и определять продолжительность летней стратификации (например, [12]). Эпизодичность наблюдений можно отчасти компенсировать, измеряя температуру воды и растворенный кислород на фиксированных горизонтах с помощью цепочек датчиков (например, [1]). Поэтому в мае 2018 г. в оз. Глубоком на девяти горизонтах рейдовой вертикали (0.5, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, и 26 м) были установлены логгеры температуры воды “HOBO Pendant” (Австралия) [6]. Однако и этот подход не решил задачу получения тонкоструктурных (с вертикальным разрешением порядка 10 см) вертикальных профилей параметров водной среды в гиполимнионе, где развивается гипоксия.

Для более детального изучения внутрисуточной и межсуточной изменчивости целесообразно проводить мультипараметрические измерения с периодом один раз в 1–3 ч с шагом 10–20 см по вертикали от поверхности раздела вода–воздух до придонного слоя. Получить длинные временные ряды данных с высоким вертикальным разрешением реально, если использовать автономный подводный аппарат. Получаемые таким способом вертикальные профили мультипараметрических данных однородны, поскольку измерения проводятся одним набором датчиков с одинаковой точностью во всем столбе воды. Эти аргументы легли в основу решения о постановке в оз. Глубоком гидрологической станции с подводным аппаратом для зондирований водной среды в автоматическом режиме, чему и посвящена настоящая статья. Необходимо было использовать подводный аппарат с большой автономностью, который мог бы совершать измерения в стандартные сроки или чаще в заданной географической точке и оперативно передавать данные измерений после всплытия. Для погружений аппарата-профилографа на глубину требуется, чтобы его герметичный корпус был прочным (он должен выдерживать наружное давление в несколько атмосфер). Микроэлектронная система аппарата в автоматическом режиме должна управлять как процессом погружения/всплытия, так и гидрологическими датчиками и устройствами приема/передачи данных. Автономность аппарата должна быть достаточно продолжительной, чтобы за одну постановку получить сотни вертикальных профилей параметров водной среды, на измерение которых обычными методами требовались бы многократно большие вложения материальных и трудовых ресурсов.

Решение указанных задач возможно на основе новой технологии автоматизированного мониторинга водной среды, разработанной в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Эта технология основана на применении созданного авторами настоящей статьи автономного привязного подводного аппарата, названного “Винчи” [13]. Аппарат оборудован лебедкой и прецизионными гидрологическими датчиками, стабильно работающими в автономном режиме в течение длительного времени. С помощью аппарата можно получить длинные частые (с интервалом ~ 1 ч) временные ряды однородных данных о водной толще от дна (от глубин < 60 м) до поверхности воды с высоким вертикальным разрешением (~ 10 см). Постановки аппарата “Винчи” выполнены в оз. Глубоком в весенне-летний период в 2022 и 2023 гг. Ниже описано оборудование аппарата “Винчи”, а затем представлены полученные данные о короткопериодной изменчивости в гиполимнионе, которые меняют представления о формировании гипоксии в придонном слое озера.

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ

Автономный подводный аппарат “Винчи” (рис. 1) предназначен для проведения регулярных измерений вертикальных профилей параметров водной среды в автоматическом режиме во внутренних водоемах и в прибрежной зоне моря в течение длительного времени. “Винчи” компактен и удобен для постановок с малых плавсредств. Технические характеристики аппарата приведены в табл. 1.

 

Рис. 1. Слева – схема постановки гидрологической станции с зондом-профилографом “Винчи” в оз. Глубоком, справа – зонд-профилограф в надводном положении перед погружением. Наклон троса может возникать под действием течения.

 

Таблица 1. Технические характеристики зонда-профилографа “Винчи”

Профилирование
Скорость погружения/всплытия Суммарная протяженность хода Глубина места постановки Скорость фонового течения Состояние моря Число циклов погружения/всплытия в сутки Рабочий диапазон глубин	0.1–0.3 м/с 25 км 7–60 м 0.3 м/с Морское волнение до 3 баллов Максимум от 100 циклов в сутки (для глубины постановки 60 м) до 200 циклов в сутки (для глубины постановки 10 м) Минимум 1 цикл/сут 0–60 м
Измерительные датчики
Основные	Зонд электропроводности температуры и давления RBRconcerto C.T.D++ Logger (RBR Ltd., Канада) с флуориметром Seapoint Chlorophyll Fluorometer и турбидиметром Turbidity Meter (Seapoint Sensors, США). Датчик растворенного кислорода Oxygen Optode 4831F (Aanderaa Data Instruments AS, Норвегия) или Зонд мультипараметрический EXO2 (YSI Inc. / Xylem Inc., США) с датчиком давления и с центральной системой механической очистки сенсорных элементов, а также с комплектом съемных датчиков: электропроводности и температуры воды, флюоресценции хлорофилла а, фикоэретрина, мутности, FDOM и растворенного кислорода
Опциональные	Датчик фотосинтетически активной радиации
Позиционирование и связь
Позиционирование Связь дальняя Связь ближняя Поиск и обнаружение	GPS/GLONASS LTE/3G/GSM Bluetooth Светодиодный маяк
Внутренняя память
Тип	Карта microSD
Массогабаритные и прочностные характеристики
Плавучесть Длина × ширина × высота Масса в сборе в воздухе Максимальное внешнее давление Диаметр, длина и усилие до разрыва троса	> 40 Н в пресной воде 1620 (с RBRconcerto C.T.D++) × 520 × 360 мм 39 кг 10 бар 2.5–3 мм, 60-70 м, > 5000 Н
Батарея
Тип Емкость Номинальное напряжение	Аккумулятор 930 Вт ч 24 В
Программное обеспечение [6]
Предустановленное Графический интерфейс с функциями диагностики и программирования	Модульный фреймворк RTOS Кросс-платформенное GUI-приложение

 

Зонд-профилограф “Винчи” спроектирован так, чтобы стабилизировать его положение в потоке воды. Конструктивная схема тримарана включает главный цилиндрический корпус с двумя присоединенными цилиндрическими поплавками меньшего диаметра, которые предназначены для придания аппарату остойчивости. Аппарат обладает положительной плавучестью и стремится поддерживать горизонтальное положение благодаря хвостовому стабилизатору и системе подвеса. В “мокром” отсеке главного корпуса располагается барабан электрической лебедки, на который намотан кевларовый трос с диаметром 2–3 мм, соединенный другим концом с донным якорем или притопленным буем. Разматывая трос с барабана, аппарат всплывает под действием собственной положительной плавучести, а наматывая трос на барабан, аппарат опускается. В периоды между циклами погружения/всплытия аппарат базируется в придонном слое для укрытия от вандализма и воздействия волн.

Зонд-профилограф работает в автоматическом режиме, периодически включаясь, чтобы погрузиться под воду и провести измерения вертикальных профилей параметров водной среды. При погружении аппарат доходит до ограничителя, установленного на тросе на расстоянии 1.5 м над донным якорем. Достигнув придонного слоя, аппарат входит в спящий режим до следующего запланированного подъема. При всплытии на поверхность, определив свое местоположение по данным спутниковой навигации, аппарат передает по каналу мобильной телефонной связи свои географические координаты и данные измерений, а также принимает команды управления от оператора. Поисково-коммуникационный модуль аппарата имеет в своем составе модем GSM и радиоантенну, модем GPS/Глонасс, светодиодный маяк и датчик поверхности раздела вода–воздух.

На зонде-профилографе устанавливается комплект датчиков, например, “RBRConcerto” (Канада) или “YSI EXO2” (США). К измеряемым параметрам относятся: температура и электропроводность воды, гидростатическое давление, содержание растворенного кислорода, флуоресценция хлорофилла “a” и содержание взвешенного вещества (мутность). В оз. Глубоком измерения электропроводности и температуры воды проводились с помощью прецизионного зонда “RBRConcerto C.T.D++” (Канада), точность которого по температуре составляет ±0.002°C, разрешение не хуже 0.00005°C, временная постоянная датчика ≤ 0.1 с, дрейф датчика 0.002°C/год. Такие высокие требования к датчику температуры обусловлены тем, что амплитуда колебаний температуры воды очень мала в условиях гомотермии в нижней части гиполимниона. Точность измерений электропроводности составляет ±0.003 мСм/см, разрешение ≥ 0.001 мCм/см, стабильность датчика 0.01 мСм/см/год. Данные о мутности получены в условных единицах – NTU (Nephelometric Turbidity Unit). В качестве датчика растворенного кислорода использован оптический датчик “Андера 4831F” (“AANDERAA”, Норвегия). По спецификации производителя этот датчик – один из самых стабильных и малоинерционных в своем классе, его время отклика ≤ 8 с.

Аппарат “Винчи” обеспечивает стабилизированное электропитание для датчиков, контроль процесса измерений параметров водной среды, а также прием и запись в память данных измерений и передачу этих данных пользователю в оперативном режиме. Аппарат поставляется с предустановленным программным обеспечением, а также с программным обеспечением оператора и серверным программным обеспечением на электронных носителях.

ВРЕМЯ И МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Данное исследование проведено на базе Гидробиологической станции “Глубокое озеро” им. Н.Ю. Зографа Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова (ИПЭЭ) РАН. Постановки аппарата “Винчи” осуществлялись в центральной части оз. Глубокого в окрестности географической точки 55°45’50” с.ш., 36°30’47” в.д. на глубинах 26–30 м. Наиболее длительные постановки были выполнены в 2022 г. с 7 мая по 8 июня (получено 403 набора вертикальных профилей) и с 15 июля по 19 августа (445 профилей). Зонд-профилограф был запрограммирован на работу в режиме погружение/всплытие с интервалом в 1 ч и в 2 ч (также были периоды учащенных измерений в течение суток).

В 2023 г. программное обеспечение аппарата было доработано, главным образом, в целях сокращения времени, затрачиваемого на сеанс связи, когда аппарат находится в надводном положении. Натурный эксперимент с доработанным аппаратом был проведен 4–17 августа 2023 г. (564 профиля). В этот период аппарат был запрограммирован на выполнение циклов с интервалом 0.5 ч.

По данным измерений параметров водной среды (т. е. по временным рядам вертикальных профилей) были построены графики в координатах глубины и времени. Проведена статистическая обработка полученных временных рядов. В частности, вычислены коэффициенты корреляции по временным рядам наблюдений, из которых предварительно были удалены линейные тренды.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Наблюдения 2022 г.

Данные измерений зонда-профилографа “Винчи” в глубоководной центральной части оз. Глубокого позволили в деталях проследить процесс формирования металимниона в мае 2022 г. Переход от условий гомотермии к прямой термической стратификации начался, по-видимому, еще в апреле. В начале мая температура воды в эпилимнионе составила 7–8°С, что было на 3–4°С выше, чем в гиполимнионе, где оставалась на минимальных значениях в диапазоне 4–5°С после зимы. Гиполимнион был насыщен кислородом (220–240 мкм). Как показали измерения взвеси с помощью турбидиметра, в условиях насыщенности водной толщи кислородом наблюдались интенсивные суточные вертикальные миграции мезозоопланктона от приповерхностного слоя толщиной 2–4 м до придонного слоя воды.

Дневной прогрев за счет поглощения водой коротковолновой солнечной радиации усилился к концу мая. К 11 мая металимнион располагался на горизонтах 7–8 м, а затем по мере прогрева рос перепад между приповерхностным слоем и слоем глубже 8–9 м, в котором оставалась практически неизменной. Таким образом, верхняя граница термоклина поднималась, т. е. металимнион расширялся за счет эпилимниона. Стратификация постепенно усиливалась, и к 30 мая вертикальный перепад температуры достиг 7°С в слое между горизонтами 4 и 9 м. В первую декаду июня сформировался верхний перемешанный слой толщиной ~ 2 м, в котором достигала 18–19°С.

Летний тип термической стратификации установился в начале июня. Кислородная стратификация продолжала быстро меняться. По данным оптодного датчика, в верхней части металимниона на глубинах 2–5 м активно формировался подповерхностный максимум растворенного кислорода [О₂]. Причем в этом слое был отмечен суточный цикл [О₂] с максимумом (до 350 мкмоль л^–1 после 1 июня) в дневное время и минимумом ночью, что можно связать с цветением фитопланктона. Весь май количество кислорода в гиполимнионе постепенно уменьшалось; так, к первой декаде июня величина [О₂] на глубине 24 м уменьшилась до 170–180 мкмоль л^–1. Однако, по данным турбидиметра, суточные миграции мезозоопланктона все еще продолжались с той же интенсивностью.

После перерыва в ~ 40 сут измерения возобновились 15 июля и продолжались до 19 августа 2022 г. Уже в начале повторной постановки датчики зафиксировали формирование промежуточного минимума содержания растворенного кислорода в слое между горизонтами 10 и 12 м. На горизонтах 22 м и глубже величина [О₂] была ниже 70 мкмоль л^–1, возникли условия для развития гипоксии (рис. 2). В третьей декаде июля значение [О₂] в придонном слое в среднем упало ниже 50 мкмоль л^–1. К концу постановки после 15 августа на горизонте 24 м среднее значение [О₂] составило 35.6 мкмоль л^–1, а стандартное отклонение – 12.5 мкмоль л^–1.

 

Рис. 2. Вверху – временной ход температуры воды, T; внизу – динамика содержания растворенного кислорода [О₂] в центре оз. Глубокого за период с 15 июля по 19 августа 2022 г., по данным измерений зондом-профилографом Винчи.

 

Наиболее интересны внутрисуточные колебания [О₂] и в нижней части водной толщи глубже 10–15 м в центральной котловине. Вплоть до 9 августа периоды падения [О₂] ниже 50 мкмоль л^–1 на горизонте 23 м перемежались с периодами, во время которых концентрация кислорода была выше порогового для гипоксии значения. Вариации [О₂] происходили каждые 5–12 ч и на глубине 23–24 м достигали весьма значительных амплитуд (до 50 мкмоль л^–1) (рис. 3). Важно отметить, что увеличение [О₂] наблюдалось при росте Т (рис. 3), что подтверждается расчетами коэффициентов корреляции (табл. 2). Характерно, что отрицательные значения корреляции наблюдались в верхней части столба воды между горизонтами 4 и 14 м. Под металимнионом отрицательная корреляция полностью соответствует фундаментальной зависимости растворимости кислорода от температуры воды. Однако в нижнем слое глубже 15 м в глубоководной котловине эта зависимость не выполнялась: повышенным величинам [О₂] соответствовали повышенные значения.

 

Рис. 3. Выборки за 10–19 августа 2022 г. из временных рядов данных измерений [О₂] и в слое 23–24 м.

 

Таблица 2. Корреляция между Т и [О₂] по однометровым cлоям воды по данным измерений зондом-профилографом “Винчи” с 18.07.2022 по 09.08.2022

Глубина, м	Температура воды, °С	Содержание растворенного кислорода, [O2] мкмоль л–1		Коэффициент корреляции	Доверительный интервал (уровень значимости 95%)
	среднее ± стандартное отклонение	среднее ± стандартное отклонение	линейный тренд в сутки	R (T, [O2])	RL	RU
3–4	21.23 ± 0.57	244.7 ± 6.9	–0.2	0.10	0.00	0.20
4–5	17.17 ± 0.75	250.9 ± 11.9	–0.8	–0.18	–0.28	–0.08
5–6	13.03 ± 0.53	250.3 ± 21.8	–1.9	–0.14	–0.24	–0.04
6–7	10.24 ± 0.38	216.5 ± 24.0	–2.1	–0.09	–0.19	0.02
7–8	8.37 ± 0.25	174.1 ± 21.0	–1.9	–0.12	–0.22	–0.03
8–9	7.13 ± 0.22	141.5 ± 16.2	–1.6	–0.17	–0.27	–0.07
9–10	6.29 ± 0.19	124.2 ± 12.9	–1.3	–0.29	–0.38	–0.20
10–11	5.70 ± 0.18	120.2 ± 12.4	–1.3	–0.42	–0.50	–0.33
11–12	5.34 ± 0.15	124.6 ± 14.7	–1.5	–0.51	–0.57	–0.42
12–13	5.09 ± 0.12	130.7 ± 16.6	–1.7	–0.42	–0.50	–0.33
13–14	4.93 ± 0.09	135.0 ± 17.3	–1.8	–0.23	–0.32	–0.13
14–15	4.83 ± 0.07	136.3 ± 16.7	–1.7	0.02	–0.08	0.13
15–16	4.77 ± 0.05	133.9 ± 15.9	–1.5	0.19	0.09	0.28
16–17	4.73 ± 0.04	128.4 ± 15.7	–1.4	0.35	0.25	0.44
17–18	4.69 ± 0.04	120.6 ± 15.9	–1.4	0.54	0.46	0.51
18–19	4.66 ± 0.04	109.5 ± 16.8	–1.4	0.67	0.61	0.72
19–20	4.64 ± 0.03	96.0 ± 18.9	–1.5	0.78	0.74	0.82
20–21	4.63 ± 0.03	83.5 ± 20.9	–1.6	0.82	0.79	0.85
21–22	4.62 ± 0.02	71.9 ± 21.7	–1.6	0.81	0.77	0.85
22–23	4.61 ± 0.02	60.8 ± 21.6	–1.6	0.79	0.75	0.83
23–24	4.60 ± 0.02	48.6 ± 20.6	–1.5	0.81	0.77	0.84

 

К сожалению, во время второй постановки данные о мутности получены не были.

Наблюдения 2023 г.

Третья длительная постановка зонда-профилографа “Винчи” была выполнена через год, 5–17 августа 2023 г., когда удалось получить профили до глубины 27 м. Температура в нижней части гиполимниона глубже 14 м практически не отличалась от значений в августе 2022 г. и составила 4.57–4.73°С. Граница зоны гипоксии располагалась в среднем на 16 м, существенно выше, чем в августе 2022 г. Изоксигена 20 мкмоль л^–1 залегала в среднем на глубине 19.2 м. В придонном слое 25–28 м величина [О₂] стабильно держалась у отметки 10 мкмоль л^–1. При этом коэффициент корреляции между температурой воды и содержанием растворенного кислорода был не очень большим по абсолютной величине, принимая значения немногим больше 0.5 на глубинах 14–17 м, в более глубоких слоях корреляция убывала, становясь незначимой в придонном слое. В целом в гиполимнионе колебания [О₂] были сильно зашумлены.

В нижнем слое глубже 18 м был отмечен резкий рост содержания взвешенного вещества, регистрировавшегося турбидиметром. На осредненном по времени вертикальном профиле (рис. 4) величина мутности, измеряемая в условных единицах, по мере приближения к придонному слою выросла на порядок по сравнению со значениями в верхней части гиполимниона. Стоит отметить, что датчик электропроводности в составе зонда “RBR Concerto C.T.D++”, который стоял на подводном аппарате, показал, что вертикальный профиль электропроводности воды имел локальный минимум на горизонтах 5–15 м, ко дну значения электропроводности в среднем увеличивались на 0.002–0.003 мСм/cм.

 

Рис. 4. Слева – средние на период с 5 по 17 августа 2023 г. вертикальные профили содержания взвешенного вещества (NTU) и температуры воды в центре оз. Глубокого, по данным измерений зондом-профилографом “Винчи”. Справа – вертикальный профиль значений коэффициента корреляции температуры воды и мутности, тонкими пунктирными линиями показаны доверительные интервалы оценок коэффициента корреляции при 95%-м уровне значимости.

 

В нижнем слое наблюдались интенсивные колебания мутности с характерным временным масштабом от нескольких часов до полусуток (рис. 5). При этом колебания мутности происходили в противофазе с колебаниями температуры воды: вода с пониженной температурой содержала больше взвеси. Наиболее сильная корреляция между температурой воды и мутностью наблюдалась на глубинах 20–22 м.

 

Рис. 5. Временной ход содержания взвешенного вещества (NTU) в водной толще в центре оз. Глубокого, по данным измерений 5–17 августа 2023 г.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Общие закономерности кислородного режима оз. Глубокого в теплое полугодие хорошо известны по работам [4, 8, 10, 11]. По мнению [9], эти закономерности обусловлены плотностной структурой водной толщи озера, подверженной межгодовым колебаниям. В работе [8] показана зависимость процесса развития придонного анаэробного слоя от погодных условий, наблюдавшихся непосредственно после вскрытия ледового покрова озера. К сожалению, более детальную картину динамики кислорода было невозможно составить, поскольку указанные работы были основаны на данных эпизодических исследований, включая отбор проб воды, которые проводились, как правило, 1 раз в месяц.

Продолжая изучение водной среды оз. Глубокого, авторам статьи удалось провести длительные мультипараметрические синхронные измерения с помощью гидрологических и оптических датчиков автономного подводного зонда-профилографа “Винчи” практически во всем столбе воды от поверхности до придонного слоя в центральной глубоководной котловине озера. В ходе трех постановок аппарата было получено свыше 1400 наборов вертикальных профилей. Измерения проводились 1 раз в 0.5–2.0 ч в конце весны 2022 г. и в летнее время в 2022 и 2023 гг. Благодаря частым измерениям вертикальных профилей удалось получить новые данные о короткопериодной изменчивости процессов формирования гипоксии в гиполимнионе озера. Полученные данные не только подтвердили некоторые основные выводы предшествующих работ, но и позволили более детально описать внутрисезонную изменчивость, а также обнаружить новые процессы, влияющие на формирование гипоксии в гиполимнионе озера.

Во время первой постановки зонда-профилографа “Винчи” в весенний период 2022 г. наблюдался постепенный переход от состояния гомотермии к прямой термической стратификации озера. В период второй постановки в июле–августе 2022 г. происходило формирование гипоксии в нижней части гиполимниона глубже горизонта 20 м. Третья постановка в августе 2023 г. характеризовалась условиями хорошо развитой гипоксии в гиполимнионе на глубинах > 16 м.

Главным результатом настоящих исследований стало обнаружение сильных внутрисуточных колебаний содержания растворенного кислорода в процессе формирования гипоксии в летний период в 2022 г. В августе в придонном слое диапазон колебаний был 20–70 мкмоль л^–1 на горизонтах 23–24 м. Колебания концентрации кислорода сопровождались вариациями температуры воды в пределах 4.6–4.7°С. Такие малые по порядку величины колебания температуры удалось зафиксировать благодаря применению высокоточного датчика температуры в составе зонда “RBRConcerto C.T.D++”. Важно отметить, что наблюдались когерентные синфазные колебания температуры и содержания растворенного кислорода, что было неожиданно, поскольку растворимость газов в жидкостях обратно пропорциональна температуре, точнее – растворимость газа прямо пропорциональна его давлению (закон Генри), которое, в свою очередь, пропорционально температуре. Через год, к началу третьей постановки зонда-профилографа “Винчи”, 4 августа 2023 г., нижняя часть водной толщи под горизонтом 17 м уже прошла стадию сезонного формирования гипоксии, и глубже 20 м содержание [О₂] было < 20 мкм л^–1. На фоне крайне низких значений [О₂] регистрировались слабые колебания на пределе точности инструментальных измерений. При этом наблюдались сильные колебания мутности на временных масштабах от нескольких часов до 1 сут. Отмечена очень высокая отрицательная корреляция мутности и температуры воды.

Таким образом, результаты наблюдений в 2022 и 2023 гг. позволяют выдвинуть гипотезу о том, что в весенне-летний период в центральной глубоководной котловине озера на формирование гипоксии влияют выходы аномально холодных подземных вод. Концентрация кислорода в подземных водах, видимо, близка к нулю из-за микробиологического окисления органических веществ за счет восстановления сульфатов при просачивании поверхностных вод через грунты в водосборе озера. Струи бескислородных подземных вод при выходе в озеро смешиваются с озерной водой и вовлекают донные осадки (илы), поднимая взвесь на несколько метров над дном. В донных осадках содержится много детрита, который окисляется, будучи вовлеченным в турбулизированную водную среду над дном. Поэтому в этих облаках понижается содержание растворенного кислорода при сильно повышенных величинах взвеси и слегка пониженных значениях температуры. Если в глубокой части озера перекрывающие отложения на дне озера оказывают сопротивление потоку подземных вод, то очаги разгрузки подземных вод могут быть локализованы, разгрузка может происходить в виде грифонов, а также могут возникать колебания разгрузки. Струи разгружающихся подземных вод могут на некоторое время взмучивать ил на отдельных участках дна озера. По данным авторов статьи, колебания мутности происходят на временных масштабах от нескольких часов до суток, приводя к повторяющимся событиям деоксигенации в нижнем слое воды толщиной в несколько метров в центральной глубоководной котловине озера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе продемонстрированы возможности принципиально новой технологии автоматизированного мониторинга состояния природной среды в озерах и водохранилищах глубиной до 50 м. Технология основана на применении оригинального привязного подводного аппарата “Винчи”, который по заданной программе в автоматическом режиме выполняет регулярные погружения с поверхности водоема до придонного слоя, проводя измерения параметров водной среды, и передает данные измерений потребителю при каждом всплытии аппарата к поверхности водоема. Передача данных и дистанционное управление аппаратом осуществляются по каналу мобильной телефонной связи GSM.

На аппарат “Винчи” может быть установлен многопараметрический зонд для измерений температуры воды, мутности, электропроводности, фикоэретрина, флуоресценций хлорофилла а и растворенного органического вещества, а также предусмотрена возможность монтажа дополнительных датчиков, например растворенного кислорода, в зависимости от задачи исследования.

Частота профилирования аппарата может быть задана в диапазоне от получаса до нескольких суток. Учащенное профилирование позволяет детализировать процессы, а более редкое – исследовать сезонную эволюцию. Частоту профилирования можно менять по ходу постановки с помощью дистанционно передаваемых команд.

Безопасность постановки обеспечивается соединением аппарата прочным тросом с донным якорем, а также базированием в придонном слое в периоды между циклами погружения/всплытия для укрытия от траления и воздействия волн. При всплытии местоположение аппарата определяется с помощью модема спутниковой навигации GPS/Глонасс. Для поиска аппарата включается светодиодный маяк.

Данная технология как совокупность методов и аппаратно-программных средств экспериментального исследования была апробирована авторами статьи на базе подмосковной Гидробиологической станции “Глубокое озеро” ИПЭЭ РАН. В 2022–2023 гг. проведено несколько постановок аппарата и собраны уникальные данные о переходных процессах в водной толще, прежде всего о динамике кислорода в гиполимнионе.

Длительные постановки аппарата в оз. Глубоком позволили получить новые данные о разномасштабной изменчивости кислородного режима. Ранее авторы статьи полагали, что гипоксия в гиполимнионе озера развивается в летний период из-за формирования устойчивой температурной стратификации (сезонного термоклина), которая ограничивает вертикальное перемешивание (вентиляцию вод) эпилимнионом. Изучение полученных авторами длительных временных рядов данных позволяет выдвинуть гипотезу, что существуют ледниково-карстовые озера, в которых процесс формирования гипоксии в придонном слое может ускоряться в очагах разгрузки подземного стока в гиполимнион за счет воздействий струй подземных вод, которые взмучивают заиленные донные осадки, что приводит к увеличению потребления кислорода на микробиологическое окисление детрита. Из-за пульсирующего характера этого процесса может наблюдаться повторяющаяся гипоксия (в оз. Глубоком на временных масштабах от нескольких часов до суток).

В дальнейшем сравнительные исследования в оз. Глубоком и других озерах со схожими природными условиями в водосборах могли бы подтвердить эту гипотезу и помочь обнаружить новые факторы, влияющие на развитие придонной гипоксии в озерах. При проведении таких исследований целесообразно использовать разработанную авторами новую технологию, основанную на применении роботизированного подводного зонда-профилографа “Винчи”.

作者简介

A. Ostrovsky

Shirshov Institute оf Oceanology of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Zatsepin

Shirshov Institute оf Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

O. Kochetov

Shirshov Institute оf Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

D. Shvoev

Shirshov Institute оf Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Drozdova

Shirshov Institute оf Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

N. Korovchinsky

Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences

Email: osasha@ocean.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件