Типізація лиманів Північно-західного Причорномор'я за рекомендаціями водної рамкової директиви ЄС

Лимани ПЗП, для яких характерні мінливість гідрологічного режиму, широкий діапазон солоності вод, висока біопродук- тивність, використовувалися людиною протягом всієї відомої історії. При цьому, найбільш потужний вплив господарської діяльності на ці об'єкти спостерігається останні сто років [1, 2, 8, 9]. Цей вплив вже призвів до зростання забруднення, ев- трофікації водойм, а в деяких випадках до втрати їх природних властивостей: Хаджи- бейський лиман - накопичувач стічних вод, лиман Сасик - іригаційний резервуар, Малий Аджалікській і Сухий лимани - морські портові акваторії. При цьому, незважаючи на очевидні негативні наслідки, для лиманів досі не розроблені плани водного менеджменту та моніторингу.

Для річок та озер методологія проведення інтегрованого моніторингу країнами ЄС в останні десятиріччя була доволі добре розроблена, тому що на річках Причорномор'я - Дунай, Дніпро, Дністер, Південний Буг та інших в останні роки виконувалось декілька європейських проектів [10, 13], серед переліку завдань яких була і гармонізація програм моніторингу у відповідності з вимогами ВРД. Для таких об'єктів, як лимани, методологія моніторингу в ЄС знаходиться в стадії розробки та погодження, тому що лимани є особливим класом водних об'єктів, які в залежності від характеру водного балансу можна віднести навіть до озер (приклад - Куяльницький лиман), до перехідних вод (приклад - Дністровський лиман), або до прибережних морських вод (приклад - Тузловська група лиманів). Саме тому в Одеському національному університету імені І.І. Мечникова (ОНУ) значне місто займають дослідження лиманів ПЗП (рис. 1), фізико-хімічні, гідроморфологічні та біологічні характеристики яких суттєво відрізняються один від одного і коливаються в доволі широких межах.

Враховуючи велику кількість лиманів, конкретні програми моніторингу розробляються в ОНУ для їх типових груп, що були сформовані по близькості цих водних об'єктів за низкою природних властивостей. При цьому, типізація лиманів проводиться згідно методологічних підходів, які представлені у ВРД [11]. Мета типізації - у визначенні типових специфічних особливостей водних об'єктів, які стануть основою класифікації. Визначення типології має наслідки для всіх наступних аспектів використання ВРД: для моніторингу, оцінки сучасного та референційного (початкового) стану об'єктів та звітності по водоймам.

Додаток II до ВРД та деякі інші методичні розробки в країнах ЄС [3, 11, 12] дають вказівки про те, як повинно здійснювати типологію водних об'єктів, а також які можуть бути використані для цього обов'язкові і необов'язкові параметри.

У вказаних вище методиках поняття «лиман» відсутнє, але є термін «прибережна лагуна» (Coastal lagoon) [12]. Прибережні лагуни можуть бути віднесені як до «прибережних», так і до «перехідних вод», залежно від того, чи підходить лагуна до визначення ключових властивостей «перехідних вод» згідно ВРД: «безпосередня близькість до гирла річок» і «суттєвий вплив прісноводних потоків». Морфологічні особливості водойм: коси, острови можуть бути використані для визначення кордону «перехідних вод», особливо у випадках, коли вони збігаються з біологічними кордонами.

При виконанні типізації у якості нульової гіпотези нами прийнято, що лимани ПЗП відносяться до «перехідного типу» поверхневих вод [11]. Перехідний тип вод згідно системи «А» ВРД диференціюється за наступними параметрами: розташуванню в екорегіонах; середньорічною солоністю; середньою амплітудою припливів; а також за гідроморфологічними елементами, що підтримують біологічні елементи якості (ЕЯ) водних об'єктів: коливанням глибини; структурою та субстратами дна; структурою приливної зони; потоками прісної води і відкритістю до хвиль.

1 - Сасик; 2 - Джантшейський; 3 - Малий Сасик; 4 - Шагани; 5 - Алібей; 6 - Карачаус; 7 - Хаджидер; 8 - Курудіол; 9 - Бурнас; 10 - Шаболатський; 11 - Дністровський; 12 - Сухий; 13 - Хаджибейський; 14 - Куяльницький; 15 - Великий Аджаликський; 16 - Малий Аджаликський; 17 - Тілігульський; 18 - солонець Тузли; 19 - Березанський; 20 - Дніпробузький

Рис. 1 - Розташування лиманів північно-західного Причорномор'я

Мінімальний розмір лиманів (лагун), які розглядаються, повинен бути таким же, як мінімальний розмір озер. У Додатку II ВРД найменший розмір озер, включених у систему «А», від 0,5 до 1 км². Однак, це не повинно розглядатися як абсолютне значення, і можуть розглядатися об'єкти менше, ніж 0,5 км², особливо якщо вони знаходяться в небезпеці погіршення екологічного стану, або відповідають високому екологічному стану і тому потребують захисту.

Згідно правил ВРД немає чіткого визначення, до якого екорегіону відноситься Чорне море [11]. Тому, нами його включено у екорегіон Середземного моря, як єдиного моря, що має безпосереднє з'єднання з Чорним морем. У такому припущенні, усі лимани ПЗП знаходяться у єдиному екорегіоні.

При типізації «перехідних вод» по середньорічної солоності у ВРД використовуються наступні діапазони (у проміле) [11]:

- < 0,5 - прісна вода;

- від 0,5 до < 5 - олігогалинна;

- від 5 до < 18 - мезогалинна;

- від 18 до < 30 - полігалинна;

- від 30 до < 40 - еугалинна.

Однак, нами до цього переліку добавлений діапазон «гіпергалинні водойми», який зазначає солоність більш ніж 40 %о.

Величина припливів на акваторії Чорного моря менше ніж 10 сантиметрів [3], тому у типізації лиманів ПЗП цей параметр не використовувався, як і відкритість до хвиль у силу значної або повної ізольованості лиманів береговими формами рельєфу.

Крім вищезазначених параметрів, при типізації водойм по ВРД можлива, а іноді необхідна експертна оцінка по використанню інших важливих властивостей. Тому, для типізації лиманів ПЗП по фізичним та гідро- морфологічним ознакам нами брались як параметри по ВРД, так і інші властивості водойм, без яких вона (типізація) була б неповною та не всеосяжною:

- середньорічна солоність (по ВРД);

- коливання глибини (по ВРД);

- притік прісної води (по ВРД);

- генезис водойм (по експертній оцінці);

- площа водозбору (по експертній оцінці).

Цей набір параметрів для типізації лиманів північно-західного Причорномор'я відрізнявся від набору у схожої роботі, що була проведена в Інституті морської біології Національної академії наук України [7]: об'єм водної котловини; площа водного дзе-

Результати

Як вказано вище, для типізації 20-ох лиманів ПЗП використовувались параметри: середньорічна солоність, коливання глибини, приток прісної води, генезис водойм та площа водозбору. По кожному параметру була проведена класифікація в ме-

ркала; діапазон глибин та площа водозбору, так як у нашому випадку упор був зроблений на параметри по ВРД. Однак, у якості інструмента для проведення типізації, також як і у роботі [7], використовувався блок кластерного аналізу у обчислювальному пакету Statistica [5] по методу Уорда без урахування пріоритетності параметрів з використанням евклідової відстані в якості міри близькості об'єктів.

Кластерний аналіз - відповідний інструмент для проведення типізації об'єктів по набору різнорідних, не пов'язаних друг з другом ознак. Крім того, кластерний аналіз у даному випадку найбільш ефективний, тому що цей інструмент призначений для об'єднання об'єктів у класи (кластери) таким чином, щоб в один клас потрапляли максимально схожі, а об'єкти різних класів максимально відрізнялися один від одного.

Таблиця 1 Класифікація лиманів ПЗП за середньорічною солоностю

Таблиця 2 Класифікація лиманів ПЗП за діапазоном коливання глибини

Таблиця 3 Класифікація лиманів ПЗП за значністю притоку прісної води

Таблиця 4 Класифікація лиманів ПЗП за генезисом походження водойм

Таблиця 5 Класифікація лиманів ПЗП за величиною площі водозбору

Результати класифікацій по п'яти параметрам подалі використовувались у кластерному аналізу, за яким створено ієрархічне дерево або дендрограма (рис. 2).

Дендрограма починається зліва з кожного лиману в своєму власному кластері. При русі вправо, подібні за властивостями лимани об'єднуються у кластери: вузли дендрограми представляють об'єднання двох або більше кластерів, положення вузлів на осі визначає відстань, на якій були об'єднані відповідні кластери. Виходячи з представлення результатів у вигляді дендрограми, нами було зроблено припущення, що лимани утворюють п'ять природних кластерів. Перевірку цього припущення було проведено розбиттям вихідних даних кластерізацією методом «k- середніх» на п'ять кластерів і перевіркою значущості відмінності між отриманими групами.

Метод «k-середніх» полягає в наступному. Обчислення починаються з k випадково вибраних спостережень (у нашому випадку k=5), які стають центрами груп, після чого об'єктний склад кластерів змінюється з метою мінімізації мінливості всередині кластерів і максимізації мінливості між кластерами. Кожне наступне спостереження (k+1) відноситься до тієї групи, міра схожості з центром ваги якого мінімальна. Після зміни складу кластеру обчислюється новий центр ваги, найчастіше як вектор середніх по кожному параметру. Алгоритм продовжується до тих пір, поки склад кластерів не перестане змінюватися.

Результати типізації лиманів ПЗП методом «k-середніх» наведено у табл. 6, а у табл. 7 вказані елементи дисперсійного аналізу середніх значень використаних параметрів по кожному кластеру, щоб оцінити, наскільки вони різняться між собою. Значення р<0,05 свідчить про значне розходження між кластерами. Відстань між кластерами

Рис. 2 - Дендрограма подібності лиманів північно-західного Причорномор'я на основі параметрів по ВРД та за експертною оцінкою

Таблиця 6 Розташування лиманів ПЗП по 5-ти кластерам

Таблиця 7 Елементи дисперсійного аналізу параметрів в 5-ти відібраних кластерах

Згідно проведеної типізації лиманів ПЗП виявлено наступні закономірності для п'яти виділених груп лиманів.

У кластер номер один входять лагун- но-заплавні лимани без відкритого сполучення з морем. Причому заплавний тип тільки у лиману Сасик. Лимани цього кластеру олігогалинні і мілководні. Приплив морських вод в ці водойми обмежений фільтрацією через піщані коси, насипи, дамби за винятком Будакського лиману, куди морська вода може потрапляти по каналам що зв'язані з морем та Дністровським лиманом. Площа водозбору водойм цього кластеру сильно варіює в розмірах і може бути трьох типів: дуже мала, мала та середня.

Більш однорідний кластер номер два. Його складають полігалинні, мілководні водойми, лагунного типу з малою площею водозбору. Основна приходна частина водного балансу цих лиманів - морська, і тільки в окремі роки у весняний сезон істотну частину балансу становить річковий (материковий) стік за рахунок накопичених в холодну частину року опадів.

Третій кластер представлений групою з п'яти лиманів з досить широким діапазоном досліджуваних властивостей. Це вузькі меридіонально витягнуті заплавні глибокі водойми, причому глибокі як в силу своїх природних особливостей, так і внаслідок днопоглиблювальних робіт з перетворенням двох із них в портові акваторії: Сухий і Малий Аджаликський лимани. Солоність води в цих водоймах класифікується, в основному, як мезогалинна, за винятком Тилі- гульського лиману, де в останні роки через порушення постійного зв'язку з морем солоність води значно перевищує солоність морських вод. Найбільш прісним лиманом у цій групі є Хаджибейський, в силу того, що у нього немає прямого зв'язку з морем, проте є постійний приплив прісних вод з очисних споруд м. Одеса. Площі водозбору лиманів цього кластеру малі та середні.

Кластер чотири включає великі за площею водозбору естуарні лимани, основну приходну частину водного балансу яких утворюють великі річки: Дністер, Дніпро та Буг. Це величезні водойми, зі значним запасом прісної води і з колосальним біологічним потенціалом. Лимани мають постійний зв'язок із морем і періодично відчувають його вплив на солоність своїх вод і біологічні компоненти екосистем. Єдина відмінність між цими лиманами по нашому списку параметрів - діапазон коливання глибини більше в Дніпробузькому лимані.

П'ятий кластер об'єднує дві унікальних за своїми властивостями гіпергалинні водойми. Це заплавні лимани, що значно відрізняються за площею водозбору, але обидва мають таку солоність води, яка інколи перевищувала 335 г/л, що дозволяло в давньогрецьку, татарсько-турецьку епоху і при Російській імперії організовувати на них соляні промисли. Якщо солонець Тузли практично завжди був мілководний, то глибини на Куяльницькому лимані в давні часи досягали семиметрової позначки. В даний час у солонця Тузли відсутнє сполучення з морем; в Куяльник проводиться періодичне штучне закачування морської води у зимовий період.

Порівнюючи результати нашої типізації з результатами роботи [7] (табл. 6), слід вказати на деякі корінні відмінності:

- лимани с надзвичайно специфічними гідрохімічними умовами - Куяльниць- кий та солонець Тузли нами виділені у окремий кластер;

- всі лимани Тузловської групи нами об'єднані в один кластер, але лиман Сасик, на відміну від [7], винесений у інший кластер з того, що у цю водойму може надходити (хоча і не цілий рік) значний річковий приток;

- лимани естуарного генезису (Дністровський та Дніпробузький), на відміну від [7], нами також виділені у окремий кластер в першу чергу тому, що приток прісної води у ці водойми непропорційно більшій, ніж приток у такі лимани, як Березанський, Малій Аджаликський чи Сухий.

Вищевказані відмінності ілюструють зручність і гнучкість методу кластерного аналізу при проведенні такого роду типізації, яка може бути заточена під специфічний вид моніторингу. Додавання до гідро- лого-морфометричних характеристик водойм по [7] деяких інших значно змінило результати типізації. Вочевидь, що додавання до використовуваних нами параметрів характеристик, наприклад, структури, субстратів дна та біологічних показників в водоймах також перегрупує їх по кластерам і ускладнить класифікацію.

Висновки

Використовуючи гідролого-морфоме- тричні, гідрохімічні та генезисні характеристики велика кількість лиманів північно- західного Причорномор'я згрупована у п'ять кластерів:

1) лагунно-заплавні лимани без відкритого сполучення з морем, олігогалинні і мілководні з помірним діапазоном площі водозбору;

2) полігалинні, мілководні водойми лагунного типу з малою площею водозбору і, в основному, з морською приходною частиною водного балансу;

3) вузькі дуже витягнуті заплавні глибокі водойми, в основному, мезогалинні, також з помірним діапазоном площі водозбору;

4) естуарні лимани, з великою площею водозбору, з основною частиною водного бала-

Література

1. Актуальные проблемы лиманов северозападного Причерноморья : [коллективная монографія] ; под ред. Ю. С. Тучковенко, Е. Д Гопчен- ко. Одесса : ТЭС, 2011. 224 с.

2. Лимани північно-західного Причорномор'я: актуальні гідроекологічні проблеми та шляхи їх вирішення // Зб. мат. всеукр. наук.-практ. конф. Одеса : ТЕС, 2012. 160 с.

3. Лиманы Северного Причерномо- рья./Полищук В. С. та інш. Киев : Наук. думка, 1990. 204 с.

4. Северо-западная часть Чёрного моря: биология и екология; под ред. Ю. П. Зайцева, Б. Г. Александрова. Киев : Наук. думка, 2006. 701 с.

5. Соколов Е. В. Типизация лиманов северозападного Причерноморья на основе гидрологоморфометрических характеристик // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту, сер. біол. 2015. № 1 (62). С. 49-56.

Размещено на Allbest.ru