Глава 4. Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов

Реклама
4. Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов
Химический
состав
водных
масс
–
один
из
важнейших
факторов
функционирования экосистем водохранилищ. Концентрации растворенных и взвешенных
химических веществ в водоемах непрерывно изменяются во времени и пространстве в
результате сложного взаимодействия динамических, геохимических и биохимических
процессов. Важную роль в этом взаимодействии играют закономерности водного режима
водохранилища, зависящие от гидроклиматических факторов и характера регулирования
стока.
При
изучении
процессов
эвтрофирования
водоемов
основное
внимание,
естественно, уделяется режиму биогенных элементов, среди которых, как показано в
главе 1, процесс эвтрофирования лимитируют, главным образом, азот и фосфор.
Круговорот
этих
элементов
включает
взаимопревращения
различных
их
форм,
находящихся в водоеме в разных фазах, характеризующихся сложной и нестабильной
кинетикой. Определение отдельных форм азота и фосфора методически сложно, что
существенно затрудняет изучение их циклов и количественную оценку круговорота в
водоемах. Поступление в водоем биогенных соединений зависит от геохимических
особенностей и степени хозяйственной освоенности водосборного бассейна водоема.
Распределение
их в
водоеме
определяется
физическими
факторами,
а
также
биологическими процессами потребления и рециклинга.
Главное отличие между азотом и фосфором состоит в том, что азот выступает
практически полностью пластичным элементом, т.е. он закрепляется в органическом
веществе с момента образования и до разрушения (без учета обмена азотом при
метабилизме). Азот входит в состав аминокислот и белков, определяя тем самым
содержание хлорофилла в растительной клетке. Формы азота в воде водоемов включают
молекулярный
азот,
минеральные
соединения
-
нитриты,
нитраты,
аммоний,
превращающиеся в водной массе в результате деятельности соответствующих видов
бактерий.
Круговорот
азота
включает
процессы
азотфиксации,
нитрификации,
аммонификации, денитрификации, которые замыкаются на поступлении газообразного
азота в водоем из атмосферы и выделении его обратно в атмосферу. Ванным фактором,
способствующим возрастанию азотсодержащих соединений органических веществ
являются лизис и автолиз клеток отмирающих гидробионтов, значительные количества
азотистых соединений выделяют в воду и живые гидробионты.
Известно, что некоторые синезеленые водоросли обладают способностью к
азотфиксации [Кузнецов, 1970]. Специальные исследования этого вопроса в озерах
умеренного пояса показало, что интенсивность фиксации может достигать 5-8 мкгN2/л час
[Jensen, Dahl-Madsen, 1978]. Балансовые расчеты для азота в эвтрофном озере
Паффикер-зее (Швейцария) в вегетационный период
позволили сделать вывод, что
126
денитрификация может быть весьма существенной статьей расхода азота в озере
[Vollenweider, 1989].
Азотное питание водорослей включает потребление минеральных форм азота,
среди которых аммонийная форма рассматривается как наиболее предпочтительная.
Однако степень этой предпочтительности остается предметом дискуссий, поскольку
хорошо известно, что нитратная форма азота также легко потребляется водорослями.
[Prochazkova et al., 1970, Reynolds, 1984]. Нитратный азот, представляя собой конечную
форму
цепи
превращений
минеральных
форм
азота
более
распространен
в
незагрязненных водах, в то время как в загрязняемых сточными водами водоемах
доминирует аммонийный азот.
Повышенное поступление минеральных форм азота в водоемы связано с широким
использованием азотных и органических удобрений в сельском хозяйстве. Азот в виде
нитратов сравнительно легко вымывается из почв бассейна, поступая в речную сеть и в
водоемы. В связи с более высокой растворимостью азотные соединения значительно
более легко «вымываются» из почв бассейна, чем фосфор. Достигающая водоемов доля
минеральных удобрений вносимых на поверхность бассейна, заметно выше для азота,
чем для фосфора. Более высок и относительный вклад
атмосферных осадков в
поступление в водоемы азота.
В развитии диатомовых водорослей существенную роль играет кремний –
постоянный из-за повсеместной распространенности соединений кремния в горных
породах компонент химического состава природных вод. Формы соединений кремния в
водных растворах весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации и
значений рН. Режим кремния в поверхностных водах сходен с режимом других биогенных
элементов,
но
зафиксировано,
случаев
хотя
лимитирования
при
кремнием
математическом
развития
моделировании
фитопланктона
группы
не
диатомовых
водорослей кремний обычно учитывается. Из других микроэлементов, необходимых для
развития растительной клетки, определенное внимание может быть уделено только
железу и марганцу. К.А.Гусева пришла к выводу о лимитирующей роли этих элементов в
водоемах
Волжской
системы
водоснабжения
г.Москвы
[Гусева,
1952].
Однако,
лимитирование железом и марганцем по ее мнению обусловлено не в результате очень
низких концентраций в воде водоемов, а вследствие связывания их минеральных форм
гуминовыми
веществами
в
органоминеральные
комплексы,
малодоступные
для
водорослей.
Ведущая роль фосфора в процессах эвтрофирования внутренних водоемов,
подробно
обсуждавшаяся
в
главе
1,
обусловила
более
глубокое
внимание
к
исследованиям круговорота именно этого элемента в природных водах. Особенности
режима фосфора в водохранилища рассмотрим подробнее.
127
4.1. Фосфор в природных водах
По сравнению с азотом фосфор значительно более подвижен (входит в состав
энергетических молекул АТФ-АДФ). Естественно, скорость оборачиваемости фосфора
намного выше и составление его баланса более сложно.
Ведущая роль фосфора в процессах эвтрофирования обусловила более глубокое
внимание к этому элементу, что выразилось в явном преобладании работ, посвященных
его режиму и круговороту в природных водах. Можно сказать, что исследование цикла
фосфора в природных водах в настоящее время стало одной из важнейших проблем
изучения качества воды водоемов. Прежде чем рассматривать вопросы трансформации
фосфора в водохранилищах целесообразно обобщить существующие представления о
закономерностях его круговорота и классификации форм его существования в природных
водах.
Формы фосфора в природных водах.
Роль
фосфора
энергетических
и
как
биогенного
анаболических
элемента
процессах
в
определяется
растительных
его
участием
клетках.
в
Фосфор
присутствует в ткани клеток фитопланктона в составе многих соединений, наиболее
важный их которых – ортофосфат (существующий в виде Н2РО4- при 3  рН  7 или
НРО42- при 8  рН  12). Фосфатные группы выступают основой нуклеиновых кислот АТФ
и ФДФ – основных энергоносителей живой клетки.
Аналитическое определение соединений фосфора почти повсеместно базируется
на колориметрическом методе определения фосфатов, разработанным Дениже [Deniges,
1920] и введенным в практику лимнологических исследований Аткинсом [Atkins, 1923].
Метод основан на реакции ортофосфата с молибдатом в кислой среде с образованием
окрашенного комплексного соединения.
Суммируя известные представления о формах фосфора в водоеме, выразим их
многообразие в виде следующей схемы (рис. 4.1).
128
Фосфор в воде
ВФ
РФ
ВМФ
ФС
ФНА
ВОФ
ФК
РРФ
ФРО
ФА
ПФРО
РОФ
ФКОН
ФПОС
ФД
ФЗ
ФБ
ФКЛ
ФСОС
ФФ
Рис. 4.1. Формы общего фосфора в природных водах
Пояснение обозначений на схеме и основные характеристики приведенных в ней форм
фосфора представлены в таблице 4.1.
129
Таблица 4.1.
Характеристика форм фосфора в природных водах
Форма фосфора
Обознач
Обозначен
Обозначен
ение на
ие в тексте
ие в
схеме
Метод определения
Характеристика
литератур
е
(англоязыч
ной)
Общий (валовой)
ОФ
Робщ
ТР
фосфор
Взвешенный фосфор
Взвешенный
Общий
фосфор
в
нефильтрованной воде
ВФ
ВМФ
Рвзв
Рвзв.мин
минеральный фосфор
РР
РIР
По
разнице
общего
Все соединения фосфора, присутствующие в природных
водах
и
Все соединения фосфора, задерживающиеся фильтром
фильтрованного фосфора
0.45мк
Либо
Включает: 1) фосфор, сорбированный, 2)фосфор в составе
прямым
определением во взвеси,
минералов
либо
4)фосфор неаппатитовый.
по
разнице
(корпускулярный),
3)
фосфор
апатитовый,
минерального фосфора в
нефильтрованной
и
фильтрованной воде
Фосфор
сорбированный
ФС
Рс
Ортофосфаты,
гидроокисях
сорбирующиеся
железа
и
на
марганца.
взвесях,
Может
детрите,
считаться
реактивным и биологически доступным из-за равновесия в
системе сорбция-десорбция. Кроме фосфатов сорбируется
также
коллоидный,
органический
и
конденсированный
фосфор.
130
Корпускулярный
ФК
Окклюдированный фосфор. Фосфор, присутствующий в
фосфор
фосфатных
минералах,
жестко
связанный
с
кристаллической решеткой минералов (апатит, вивианит и
др.) Нереакционный, биологически недоступный. В водоеме
преимущественно осаждается со взвесью.
Фосфор апатитовый
ФА
Рапп
Извлекается
из
взвеси
кислотой
Фосфор в соединениях с кальцием. Нерастворим. Не
участвует в биологических взаимодействиях. В водоеме
осаждается.
Фосфор
ФНА
Рнеапп
Извлекается
неаппатитовый
из
взвеси
щелочью
Неокклюдированный фосфор. Ортофосфат в соединении с
железом,
алюминием.
Нерастворим.
Наиболее
значительная доля осаждающегося фосфора. Вопрос о
биологической доступности пока не получил разрешения.
Взвешенный
ВОФ
Рвзв. орг
органический фосфор
РОР
По
разнице
между
Включает:
1)
фосфор
детритный,
2)
фосфор
взвешенным фосфором и
бактериопланктона, 3) фосфор фитопланктона, 4) фосфор
взвешенным
зоопланктона,
минеральным (ВФ-ВМФ)
коллоидный фосфор
5)
фосфор
других
гидробионтов,
6)
Рд
Фосфор детритный
ФД
Входит в состав отмерших организмов и пеллет. Автолиз
детрита сопровождается образованием фосфатов. Часть
остается биологически недоступной и осаждается.
Фосфор
ФБ
Рб
Фосфор в клетках бактериопланктона.
ФФ
Рф
Фосфор в клетках фитопланктона. Может запасаться в
бактериопланктона
Фосфор
фитопланктона
клетках.
Фосфор зоопланктона
ФЗ
Фосфор коллоидный
ФКЛ
Рз
Фосфор в клетках зоопланктона.
Отождествляется
с
низко
и
высокомолекулярным
131
органическим веществом. Нереактивен, но возможно, легко
гидролизуется.
Растворенный
РФ
Р раств
Общий
фосфор
Растворенный
РМФ
Рраст. мин
DIP
минеральный фосфор
Ортофосфаты
ФРО
фосфор
в
Включает: 1) растворенный минеральный и 2) растворенный
фильтрованной пробе
органический фосфор.
Минеральный фосфор в
Включает:
фильтрованной пробе
конденсированные фосфаты
Рмин
Ионы
1)
ортофосфаты,
ортофосфорной
2)
кислоты.
полифосфаты
Основная
3)
форма
реактивного, биологически доступного фосфора.
Полифосфаты
ПФРО
Образуются в результате комбинаций ортофосфорных
групп. Быстро гидролизуется. Редко встречаются в чистом
виде. Основная форма запасания фосфора в клетках
водорослей.
Конденсированные
ФКОН
Полифосфаты,
фосфаты
Растворенный
источники
которых
водные
организмы,
выделяющие фосфор.
РОФ
органический фосфор
Рраст. орг
DOP
По разнице между общим
фильтрованным
и
Включает: 1) подвижные органические соединения,
2) стойкие органические соединения
минеральным
фильтрованным
фосфором
Фосфор подвижных
ФПОС
органических
Нуклеотиды,
соединений
Фосфор стойких
Органические
соединения
-
полинуклеотиды,
продукты
метаболизма.
фосфорилированные
углеводы, фосфоэфиры.
ФСОС
Фосфор, входящий в состав водного гумуса.
органических
соединений
132
Все эти формы фосфора постоянно изменяются в водоемах в процессе
взаимопревращений и обмена. Цепь этих превращений связана с биологическим,
биохимическими и геохимическими процессами, протекающими на фоне физических и
физико-химических характеристик водной среды.
Схематично основные процессы круговорота фосфора можно представить в виде (рис.
4.2)
ПФРО
3
ФРО
3
4
ВМФ
ФД
ФБ
1
ВОФ
4
3
ФА
1
ФНА
ФФ
3
2
5
5
РОФ
2
ФЗ
Рис. 4.2. Схема круговорота фосфора в природных водах
Обозначения форм фосфора на рисунке те же, что и на рис. 4.1.
Цифрами обозначены процессы:
1 – потребление, 2 – выделение, 3 - минерализация, 4 – сорбция, десорбция и
комплексообразование, 5 - осаждение
Соотношение интенсивности перечисленных потоков фосфора определяется
индивидуальными особенностями гидрологической структуры водоемов и ландшафтными
133
характеристиками водосборов, и обобщение данных должно проводиться с учетом этих
факторов. Важно, что процессы осаждения фосфора в гораздо большей степени связаны
с внешней нагрузкой фосфора и его внешним балансом, поскольку скорости осаждения
намного
меньше
скоростей
метаболических
превращений
фосфора
в
процессе
биологического круговорота (рис. 4.2).
Сопоставление скоростей процессов превращения фосфора в водоемах приводит
к необходимости разделять круговорот фосфора на «быстрый» (биологический) и
«медленный»
(гидролого-геохимический).
Быстрый
круговорот
определяется
метаболическим обменом в процессе биологического потребления и биохимической
трансформацией различных форм фосфора. Медленный связан с внешним балансом
фосфора, его переносом с водными массами и определяет общий уровень содержания
фосфора в водоеме. Для процессов трансформации фосфора важное значение имеет
вертикальное расслоение водных масс и существование эпилимниона и гиполимниона.
Процессы быстрого (биотического) круговорота в этих слоях существенно различаются.
Схематично
«медленный»
круговорот
фосфора
в
водохранилище
может
быть
представлен в виде (рис. 4.3).
2
1
3
ВФ
8
РФ
ВФ
8
РФ
5
4
6
7
Рис. 4.3. Внешний (медленный)
круговорот фосфора в водохранилище. Цифрами
обозначены потоки
1 - приток с речным и склоновым стоком, 2 – поступление фосфора с атмосферными
осадками, 3 - сброс фосфора из поверхностных слоев через водослив,
фосфора из глубинных слоев через водосбросные сооружения,
5
-
4
-
сброс
обмен между
134
слоями, 6
- осаждение фосфора, 7
-
вынос минеральных соединений фосфора из
донных отложений, 8 – взаимопревращения растворенной и взвешенной форм фосфора
На этой схеме быстрый круговорот упрощенно представлен в виде взаимообмена
основных фракций фосфора растворенного и взвешенного.
Как установлено недавними исследованиями на Можайском водохранилище, важным
регулятором процесса цветения воды выступает одна из составляющих медленного
круговорота - малый внутренний круговорот фосфора с участием хемогенного кальцита
[Ершова и др., 2005]. Его можно представить следующим образом.
В
преимущественно
безоблачную
и
безветренную
погоду,
обычную
для
стационарных антициклонов, при достаточной концентрации минерального фосфора в
поверхностном
быстро
прогревающемся
увеличивается
биомасса
фитопланктона.
слое
воды
Поглощение
в
утренние
при
этом
часы
быстро
водорослями
неорганического углерода ведет к повышению в трофогенном слое величины рН и к
кристаллизации в воде СаСО3. Как показали наши наблюдения, образующиеся
кристаллики кальцита имеют микронный размер и поэтому становятся хорошим
сорбентом
ортофосфатов,
что
ускоряет
снижение
концентрации
выедаемого
водорослями минерального фосфора в этом слое, тормозя развитие фотосинтеза во
второй половине дня. С началом вечернего охлаждения водной поверхности в такую
погоду начинает развиваться ночная конвекцию, увлекающая в глубину из трофогенного
слоя не только водоросли и детрит, но и кристаллы кальцита с сорбированным на них
фосфором. Попадая в трофолитический слой, где доминируют процессы деструкции и
происходит частичное окисление детрита (вызывающее снижение концентрации О2 и
рост рН), кристаллы частично растворяются, а десорбированные и регенирированные
при разложении детрита ортофосфаты восходящими конвективными токами воды к утру
поднимаются
снова
к
водной
поверхности,
обеспечивая
восполнение
запаса
питательных веществ для утреннего роста фитопланктона.
При нередких в такую погоду слабых ветрах (1-3 м/с) в послеполуденные часы
возникает сгон тонкого, наиболее прогретого днем поверхностного слоя воды с обильным
фитопланктоном к наветренному берегу. В его заливах накапливаются особенно
большие биомассы синезеленых водорослей, концентрация которых здесь может
достигать значений, свойственных гипертрофным водоемам. В то же время в зоне сгона
у подветренных участков берега к поверхности поднимается относительно прозрачная
вода с большим содержанием растворенных питательных веществ, регенерированных в
слое скачка. Это создает условие для локального ускорения здесь продукционного
процесса в конце светлой части суток.
Подобные схемы круговорота фосфора характерны и для озер. Важно отметить, что
для гиполимниона важнейшим элементом круговорота выступает обмен фосфором
135
между донными отложениями и водной массой. Многочисленные исследования этой
проблемы показали, что донные отложения, выступая источником внутриводоемного
потока фосфора, служат своеобразным буфером, регулирующим на протяжении
длительного процесса эвтрофирования общую фосфорную нагрузку на водоем. Поэтому
обмен фосфора на границе вода – донные отложения превратился в один из ключевых
вопросов
при
исследованиях
и
прогнозе
эвтрофирования
водоемов.
Глубокое
исследование этой проблемы проведено М.В.Мартыновой [1984], согласно которой
общая схема фосфорного обмена может быть представлена в следующем виде (рис. 4.4)
ВМФ
ВМФ
ВМФ
ВОФ
ВМФ
РМФ
ФА,
ФНА, алл
РОФ
ФНА, авт
ФА,авт
ВОФ
Рис. 4.4. Схема потоков фосфора на границе вода-донные отложения (алл и авт –
соответственно
фосфорсодержащие
вещества
аллохтонного
и
автохтонного
происхождения) (по М.В.Мартыновой [1984]).
Интенсивность диффузионных потоков из донных отложений определяется
трофическим состоянием водоемов и степенью «разбавления» автохтонного детрита
отложений минеральными взвесями. При этом значимость потоков фосфора из донных
отложений непосредственно связана с величиной внешней нагрузки фосфором на
водоем.
136
Эти два процесса имеют очень принципиальное значение при сравнительной
оценке процесса эвтрофирования в озерах и водохранилищах. Состав донных отложений
этих водоемов существенно отличается содержанием органического вещества. Доля
минеральной части в донных осадках водохранилищ несравненно больше, чем в озерах,
что определяется двумя главными причинами.
- особенности географического распределения водохранилищ определяют их
доминирование в ландшафтных зонах, характеризующихся более высоким
уровнем
эрозионных
процессов
в
их
бассейнах.
Это
в
свою
очередь
обусловливает более высокое содержание взвесей в притоках водохранилища,
которые оседают в водоеме и увеличивают долю минеральных частиц в донных
отложениях,
- водохранилища в отличие от озер имеют мощный внутренний источник взвесей в
виде продуктов переработки берегов. Доля продуктов переработки берегов в
формировании донных отложений водохранилищ даже в водохранилищах лесной
зоны максимальна в приходной части баланса взвешенного вещества.
В результате этих особенностей водохранилищ содержание органического
вещества в их донных осадках редко превышает 10%, тогда как в озерах, в
сапропелевых отложениях оно достигает 60-70%.
Роль внутриводоемных источников взвешенного материала повышается в
водохранилищах, расположенных внутри каскада, что связано с уменьшением нагрузки
взвесями при питании зарегулированным стоком.
«Разбавление» органического вещества в донных отложениях может происходить
также в результате карбонатонакопления. Как уже подчеркивалось, этот процесс
приобретает значимую роль в водоемах аридной зоны, причем характерен как для озер,
так и для водохранилищ. В карбонатных водоемах часть фосфора связана с
карбонатным
материалом
и
труднодоступна
для
фитопланктона.
Кроме
того,
выпадающие на дно карбонаты кальция, сорбируя фосфор, сдерживают его диффузию
в придонные слои. Наконец, недостаточно изученной представляется роль сульфатов в
процессе
обмена
на
границе
вода-дно
внутренних
водоемов.
Как
показали
исследования в эстуариях, сульфаты могут играть важную роль в выносе фосфора из
илов. В анаэробных условиях сульфаты переходят в сульфиды, которые связывают
железо, снижая поток железа из дна. Верхний окисленный слой отложений при этом
покрывается гидроксидом железа, создавая барьер для диффузии фосфора из донных
отложений [Caraco et al., 1989].
137
4.2. Пространственно-временные изменения содержания биогенных веществ в
водохранилищах
Неравномерность распределения концентраций биогенных веществ в водохранилищах
наиболее отчетливо проявляются в продольно вертикальной плоскости. Продольные
изменения
вызваны
неоднородностью
распределения
водных
масс
в
водоеме,
вертикальные связаны с характером вертикального перемешивания и вертикальной
неоднородностью продукционно-деструкционных процессов в вегетационный период в
различных слоях водоема, которые, в свою очередь зависят от особенностей экосистемы
и погодных условий.
Вертикальное распределение фосфора в водохранилищах.
В
стратифицированных
водоемах
характер
распределения
и
изменчивости
концентраций фосфора обусловлен взаимопревращениями различных форм фосфора.
Их пространственно-временное распределение в водоеме контролируется следующими
основными факторами:
- интенсивностью продукционно-деструкционных процессов,
- короткопериодной динамикой вод в пределах водоема или плеса,
- адвекцией вод,
- выносом минерального фосфора из донных отложений
Иллюстрацией этой изменчивости в вегетационный период служат результаты
специальных
наблюдений
за
различными
формами
фосфора
на
Можайском
водохранилище. Наблюдения проводились на русловой вертикали Красновидовского
плеса, расположенного в центральной части Можайского водохранилища в течение
летнего
периода
относительно
нескольких
многоводном
лет.
1989
и
Примеры
распределения
маловодном
форм
1996 годах дают
фосфора
в
возможность
охарактеризовать особенности режима фосфора в типичном долинном водохранилище в
летний период.
Минеральный фосфор.
Распределение минерального фосфора на русловой
вертикали во все годы наблюдений характеризуется ярко выраженной стратификацией
(рис. 4.5).
138
a)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 1 .0 6
2 5 .0 6
2 9 .0 6
0 3 .0 7
0 7 .0 7
1 1 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
14
б)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 6 .0 6
3 0 .0 6
0 4 .0 7
0 8 .0 7
1 2 .0 7
1 4 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
Рис. 4.5. Распределение минерального фосфора (мкг/л) по вертикали в Красновидовском
плесе Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) годов.
Наблюдения
начинались
в
конце
периода,
характеризующегося
высокой
прозрачностью вод, достигающей 3-4 метров, связанной как с оседанием поступивших в
водохранилище в течение половодья взвесей, так и с высокой фильтрационной
активностью дафний. Этот период, названный «фазой чистой воды», типичен не только
для экосистемы Можайского водохранилища и наблюдается практически ежегодно
139
[Ершова и др., 1999]. Поверхностный трофогенный слой во все годы наблюдений
характеризуется минимальным содержанием минерального фосфора (в отдельные
периоды ниже порога чувствительности метода) при незначительной изменчивости во
всем
эпилимнионе.
Более
изменчива
концентрация
минерального
фосфора
в
гиполимнионе, что связано с колебаниями в интенсивности выноса фосфора из донных
отложений, которая, в свою очередь определяется содержанием кислорода в придонных
водах. В антициклонических условиях эпилимнион интенсивно прогревается и градиенты
температуры и плотности в слое температурного скачка быстро увеличиваются,
затрудняя вертикальный водообмен. Это приводит к накоплению минерального фосфора
в
гиполимнионе.
В периоды похолодания усиливается
вертикальная
конвекция,
приводящая к перемешиванию слоев и выравниванию концентраций фосфора по
вертикали.
Максимальные
градиенты
концентрации
минерального
фосфора
наблюдаются в слое температурного скачка, располагавшегося на различной глубине (в
1989 году - 10м, в 1996 - 8м). При росте температуры воды в условиях летнего
антициклона градиенты концентрации минерального фосфора
увеличиваются, а при
похолоданиях они заметно ослабевают. Так жаркая и сухая погода в начале июля 1989 г.,
и в конце первой декаде июля 1996 года обусловила увеличение градиентов
концентраций
фосфора,
четко
проявляющихся
на
графиках
вертикального
распределения фосфора.
Как в многоводном 1989, так и в маловодном 1996 годах,
характеристики
изменчивости минерального фосфора по вертикали и величины градиентов его
концентраций в слое температурного скачка оказались близки, следовательно, степень
заполнения водохранилища не оказывала заметного влияния на характер вертикальных
изменений минерального фосфора.
В период наших наблюдений минеральный фосфор в Красновидовском плесе
Можайского водохранилища был представлен почти исключительно растворенной
фракцией. Доля взвешенного минерального фосфора составляла в среднем всего 10% от
суммарного минерального фосфора. Основная масса взвесей, поступающая с водами
половодья, к моменту наблюдений уже оседает в водохранилище и взвешенный фосфор
в этот период представлен, в основном, сорбированным фосфором, доля которого в
общем количестве взвешенного минерального фосфора невелика.
Изменения в содержании минерального растворенного фосфора в целом близки
описанным изменениям общего содержания минерального фосфора.
Фосфор общий и органический. Содержание общего фосфора в воде Можайского
водохранилища определяется, главным образом, величиной его притока в водоем с
водосбора. Его короткопериодные колебания очень слабо зависят от интенсивности
продукционно-деструкционных процессов, т.к. определение общего фосфора включает
140
его взвешенную органическую форму. Распределение общего фосфора, определенного в
нефильтрованных пробах, показано на рис. 4.6.
а)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 1 .0 6
2 5 .0 6
2 9 .0 6
0 3 .0 7
0 7 .0 7
1 1 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
14
б)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 6 .0 6
3 0 .0 6
0 4 .0 7
0 8 .0 7
1 2 .0 7
1 4 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
Рис. 4.6. Распределение концентраций общего фосфора (мкг/л) в Красновидовском плесе
Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) года
Распределение концентраций общего фосфора по вертикали характеризуется
значительно
меньшими
градиентами,
чем
минерального,
и
становится
более
контрастным к концу вегетационного периода. Причина наблюдавшихся увеличений
вертикальных
градиентов общего фосфора заключается в изменениях плотностной
структуры водной массы плеса, которая усложняется от июня к июлю и августу.
141
Некоторую роль играет, по-видимому, и влияние донных отложений на увеличение
концентраций общего фосфора в водоеме. Изменения концентраций органического
фосфора
отражают
характер
продукционных
процессов
в
водоеме,
поэтому
характеризуются наибольшей изменчивостью (рис.4.7). Средние доли органического
фосфора в общем его содержании колебались от 62% в 1989 до 84% в 1996 годах.
а)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 1 .0 6
2 5 .0 6
2 9 .0 6
0 3 .0 7
0 7 .0 7
1 1 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
14
б)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 6 .0 6
3 0 .0 6
0 4 .0 7
0 8 .0 7
1 2 .0 7
1 4 .0 7
0
2
Глуб ина, м
4
6
8
10
12
Рис. 4.7. Распределение органического фосфора (мкг/л) в Красновидовском плесе
Можайского водохранилища летом 1989 (а) и 1996 (б) годов.
Различия в распределении органического фосфора по вертикали в отдельные
годы наиболее заметны, что связано с пестротой распределения фитопланктона и
высокой
короткопериодной
изменчивостью
интенсивности
закономерностью вертикального распределения
фотосинтеза.
органического фосфора в
Общей
плесе
142
представляется наличие локальных максимумов органического фосфора в эпилимнионе
и резкое возрастание изменчивости его концентраций во второй половине периодов
наблюдений, характеризовавшейся во все годы наблюдений интенсивным развитием
фитопланктона.
Об особенностях изменений в содержании фосфора в различные годы дают
представление некоторые статистические характеристики распределения фосфора в
Красновидовском плесе Можайского водохранилища (табл. 4.2).
Таблица. 4.2.
Средние значения (С, мкг/л) и коэффициенты вариации (Сv) концентраций фосфора по
наблюдениям в различные годы (n – число проб).
Форма Р
Элемент
1989
1990
1996
гидрологической
С 21.06 по 11.07
С 7.06 по 6.08
С 27.06 по 14.07
структуры
n
С
Сv=/С
n
С
Сv=/С
n
С
Сv=/С
Во всей толще
79
28
1.01
188
31
0.89
96
36
0.76
Эпилимнион
57
7
0.56
122
10
0.95
62
13
0.72
Гиполимнион
22
47
0.58
66
48
0.43
34
71
0.26
Во всей толще
79
53
0.78
188
66
0.49
96
72
0.36
Эпилимнион
57
33
0.52
122
38
0.48
62
57
0.31
Гиполимнион
22
72
0.59
66
78
0.31
34
89
0.24
Во всей толще
79
25
0.87
188
35
0.62
96
36
0.59
Эпилимнион
57
26
0.63
122
28
0.63
62
91
0.43
Гиполимнион
22
25
0.98
66
30
0.50
34
20
0.77
водохранилища
Рмин
Робщ
Рорг
Результаты проведенных наблюдений позволяют установить определенную
закономерность в режиме короткопериодных колебаний фосфора в период перехода от
фазы "чистой воды" к интенсивному развитию продукционных процессов в водоеме.
Вертикальное распределение минерального фосфора (как растворенного, так и
взвешенного) характеризуется отчетливым увеличением градиентов концентраций в слое
скачка
температуры.
Величины
этих
градиентов
и
момент
их
возникновения
определяются, главным образом, особенностями погодных условий в различные годы,
влияющих на короткопериодные изменения вертикальной гидрологической структуры
водной массы плеса. Появление и усиление температурного скачка приводит к
увеличению роли донных отложений в распределении фосфора по вертикали, что
повышает вертикальные градиенты концентраций. По наблюдениям, проведенным
в
143
июле 1996 года, специальными балансовыми расчетами изменения массы минерального
фосфора в гиполимнионе Красновидовского плеса водохранилища удалось также
количественно оценить интенсивность выноса фосфора из донных отложений.
Методы прямого измерения потоков фосфора из донных отложений обычно
превалируют над балансовым подходом, поскольку для надежного расчета баланса
фосфора необходима детальная информация, связанная с большим количеством частых
и трудоемких определений различных форм фосфора в пробах воды. Однако задачу
существенно можно упростить, если рассматривать относительно обособленный плес
водоема в течение периода, когда адвективными составляющими баланса фосфора
можно пренебречь. В
случае вертикального плотностного расслоения водной массы
плеса, придонный слой можно считать изолированным и, рассчитав изменение запаса
фосфора в нем оценить интенсивность потока фосфора из донных отложений.
Результаты такого расчета по экспериментальным наблюдениям, проведенные в
Красновидовском плесе Можайского водохранилища демонстрирует табл. 4.3.
Таблица. 4.3.
Изменение запасов минерального и общего фосфора (РМФ
и ОФ) в гиполимнионе
Красновидовского плеса и удельный вынос фосфора из донных отложений в период
эксперимента
Период
Среднесуточный
Изменение
Удельный
запас фосфора, кг
среднесуточного
вынос
запаса
фосфора фосфора,
между фазами, кг
27.06 – 29.06
30.06 – 5.07
06.07 – 08.07
09.07 – 14.07
РМФ
ОФ
28.1
38.3
27.9
31.6
49.7
мгР/(м2 сут)
РМФ
ОФ
-0.2
7.5
-0.2
3.7
8.2
5.0
18.1
18.0
23.0
45.8
54.0
72.0
Вычисленные изменения потоков и запасов различных форм фосфора в
относительно однородных вертикальных слоях плеса позволяют анализировать режим
колебаний фосфора в водной массе в летний период. Наиболее интересно изменение
запаса минерального фосфора, поскольку именно в этой форме фосфор выносится из
донных отложений. В течение холодной циклонической погоды (27 – 29 июня) запас
144
минерального фосфора изменялся незначительно, и во вторую фазу произошло даже
уменьшение запаса, что свидетельствует о выносе части запаса гиполимниального РМФ
перемешиванием в эпилимнионе и сбалансированности обменных процессов на границе
раздела. Постепенное накопление общего фосфора в гиполимнионе объясняется
поступлением органического вещества из вышележащих слоев, где наблюдался процесс
фотосинтеза. При смене холодной погоды на жаркую (30 июня – 5 июля) это поступление
даже уменьшилось, если принять во внимание разницу запаса общего и минерального
фосфора. Резкое увеличение запаса минерального фосфора произошло в последнюю
фазу (9 – 14 июля), когда антициклоническая погода способствовала усилению
плотностной стратификации и увеличению градиента температуры в слое скачка до
20С/м. Следствием этого стало зафиксированное наблюдениями снижение содержания
растворенного кислорода в придонном слое от 3 до 1.5 мг/л. Возникновение анаэробных
условий над поверхностью дна привело к
усилению потока фосфора из иловых
отложений. Увеличение запаса фосфора в гиполимнионе произошло полностью за счет
минеральной формы фосфора
(табл. 4.3), что косвенно указывает на прекращение
поступления в гиполимнион органических веществ из поверхностных слоев в результате
усиления стратификации.
Ранее интенсивность потока фосфора из донных отложений Можайского
водохранилища определялась экспериментально М.В.Мартыновой [1979] методом
экспозиции пробы воды в стеклянных трубках в 70-х годах и позднее, в 1993 году, тем же
методом Гашкиной Н.А. и Д.В.Ломовой [Моделирование…, 1995]. Для аэробных условий
эти наблюдения дали следующие результаты:
1.6 мг/м2 сут
и 4 - 10 мг/м2 сут
соответственно. Увеличение потоков фосфора за эти два десятилетия объясняется
прогрессирующим эвтрофированием Можайского водохранилища.
Для холодной циклональной погоды величина удельного выноса фосфора,
рассчитанная по изменению его запаса в гиполимнионе (табл. 4.3), оказалась близка
приведенным выше измеренным величинам потока фосфора. В этот период содержание
кислорода в гиполимнионе было относительно высоким из-за свободного вертикального
обмена и условия в придонном слое воды соответствовали аэробным. В близких к
анаэробным
условиям
в
гиполимнионе,
наблюдавшимся
в
конце
эксперимента,
интенсивность потока фосфора в Красновидовском плесе Можайского водохранилища
возросла почти в 4.5 раза. Измеренные Н.А.Гашкиной в этот же период значения потока
фосфора составили 22 мг/м2сут [Гашкина, 2004], что хорошо согласуется с приведенными
расчетными значениями.
Таким образом,
изменение интенсивности выноса фосфора в значительной
степени зависит от изменчивости вертикальной гидрологической структуры водной массы
плеса в результате смены синоптических ситуаций на водоеме. Отсюда вытекает вывод,
что в годы с разной погодой внутриводоемная биогенная нагрузка существенно
145
различается, а соотношение внешней и внутренней
летней нагрузки еще более
изменчиво от года к году. В холодное и дождливое лето повышен приток фосфора в
водохранилище и ослаблена его регенерация из донных отложений. Наоборот, в жаркое
лето роль внутренней нагрузки фосфором резко повышается [Даценко, 1998].
В периоды активного динамического перемешивания водной массы плеса возможен
интенсивный вынос минерального фосфора в поверхностные слои и активизации
процессов первичного продуцирования, Такая же тенденция сохраняется в целом и для
концентраций общего фосфора, однако как изменчивость концентраций, так и градиенты
концентраций для этой формы заметно ниже, чем для минерального фосфора. Меньшая
изменчивость концентраций общего фосфора связана с переходом потребленного в
процессе
фотосинтеза
минерального
фосфора
во
взвешенную
органическую,
учитываемую при аналитическом определении общего фосфора. На изменчивость
органической формы фосфора, возможно, заметное влияние оказывает активно
развивающийся в этот период в водохранилище зоопланктон, роль которого в режиме
органической формы фосфора, как показали специальные исследования, весьма
значительна [Элементы…, 1987].
Подобные экспериментальные наблюдения были проведены в водохранилище Галле
(шт. Висконсин, США) [Gaugush, 1984]. Анализом изменения поля плотности воды в этом
водоеме было показано, что резкие изменения погодных условий при прохождении
холодного фронта
способствовали
интенсивному вертикальному перемешиванию,
разрушению термоклина и перераспределению минерального фосфора по вертикали.
Оцениваемая
по
концентрации
хлорофилла-а
изменчивость
фитопланктона
в
водохранилище была прямо связана с выносом фосфора из гиполимниона в теплый
продуктивный верхний слой водной толщи. Явление кратковременного синоптического
разрушения термоклина одинаково свойственно как водохранилищам, так и озерам.
Однако в водохранилищах подобная динамика вод в приплотинных участках связана
также со сбросами воды из придонных горизонтов.
Внутригодовые изменения фосфора в водохранилище.
Внутригодовые изменения содержания фосфора в водохранилище определяются
режимом его поступления в водоем и внутриводоемными условиями его трансформации.
Для изучения закономерностей сезонных изменений концентраций различных форм
фосфора необходимы учащенные режимные наблюдения в течение многолетнего
периода, поскольку в отдельные годы колебания фосфора могут существенно
отличаться. Наиболее надежное представление о закономерностях внутригодовых
146
колебаний фосфора дают типовые графики временных изменений концентраций
фосфора, полученные осреднением результатов наблюдений за различные годы.
Закономерности
внутригодового
режима
фосфора
получены
обобщением
многолетних систематических наблюдений за содержанием различных форм фосфора в
подмосковном Учинском водохранилище. Для этого водохранилища, расположенного на
севере Московской области, характерна невысокая продуктивность (38 г С/ м2 год
[Накани, Корсак, 1976]) и по гидробиологическим показателям оно относится к олигомезотрофным водоемам. Качество воды этого водохранилища постоянно контролируется
уже в течение более 40 лет во входном створе водохранилища у плотины отделяющей
это водохранилище от Пестовского водохранилища (Пестово) и у водозаборов
водопроводных станций Северной (Водозабор СВС) и Восточной (ЛГЭС) (рис. 4.8).
Пестово
ЛГЭС
Водозабор
СВС
Рис. 4.8. Схема Учинского водохранилища
147
Типовые графики внутригодовых изменений содержания фосфора в водохранилище
представлены на рис. 4.9.
А)
200
Р общ, мкг/л
160
120
80
40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
Месяцы
148
Б)
Р мин, мкг/л
120
80
40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Месяцы
Во входном створе (Пестово)
В нижнем бьефе (ЛГЭС)
Рис. 4.9. Внутригодовые колебания общего (а) и минерального (б) фосфора во
входном створе и сбросе из Учинского водохранилища.
Максимум концентраций фосфора РМФ в водохранилище наблюдается весной,
после чего следует резкое уменьшение в мае-июне при интенсивном развитии
диатомовых водорослей,
ежегодно наблюдающемся
повышение
фосфора
содержания
обусловлено
в
этот
регенерацией
период.
Осеннее
фосфатов
при
отмирании фитопланктона. Доля минеральной формы фосфора в общем его
количестве очень изменчива – от 5 до 90%, в среднем – 42%. Это соотношение, также
как и абсолютные величины концентраций фосфора, близко к аналогичным
показателям в водоемах Верхней Волги и в целом отражает условия формирования
химического стока в бассейне.
График внутригодовых изменений соотношения минеральной и общей формы
фосфора показывает резкое снижение доли минеральной формы в периоды цветения
диатомовых водорослей (рис. 4.10) как во входном створе, так и в воде, сбрасываемой
из водохранилища.
149
60
Рмин/Робщ, %
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяцы
В нижнем бьефе (ЛГЭС)
Во входном створе (Пестово)
Рис. 4.10. Внутригодовые колебания соотношения минерального и общего фосфора в
сбросе (1) и во входном створе (2) Учинского водохранилища.
Отмеченные черты внутригодовых колебаний содержания фосфора в Учинском
водохранилище можно считать типичным для долинных водохранилищ умеренной зоны,
несмотря
на
особенности
гидрологического
режима
этого
водохранилища.
В
водохранилищах с незарегулированным притоком можно ожидать более острые пики в
содержании фосфора в весенний период.
4.3. Балансы биогенных веществ в водохранилищах
Количественная оценка влияния водохранилища на сток биогенных веществ наиболее
корректно может быть выполнена путем сопоставления приходной и расходной статей
химического баланса в годы разной водности. Этот способ весьма трудоемок из-за
необходимости тщательного учета всех составляющих баланса, что может быть
достигнуто комплексными наблюдениями за этими составляющими в течение всего
годового цикла. При этом, естественно, требуются надежные данные о водном балансе
водоема и учащенные наблюдения за концентрацией химических веществ в воде. Задача
существенно упрощается, если принимать во внимание составляющие только внешнего
баланса (поступление веществ с притоком и сброс их
разница
с водой из водоема). В этом
между поступлением и сбросом отражает суммарное воздействие всех
150
внутриводоемных
процессов
на
трансформацию
стока
биогенных
веществ
в
водохранилище.
Такие внешние балансы биогенных веществ рассчитаны за многолетний период для
Учинского водохранилища. Надежность расчета водного баланса обусловлена его
простотой (водохранилище практически не имеет собственной площади водосбора) и
детальным учетом расходов воды у водозаборов и объема воды в водохранилище.
Высокая (от 2 до 4 раз в месяц) частота наблюдений за концентрациями химических
веществ позволила не менее надежно оценить внешние балансы химических веществ в
водохранилище.
Анализ многолетних балансов биогенных веществ Учинского водохранилища
показывает, что годовой сток взвешенных веществ, органических веществ, общего азота,
фосфора, железа и кремния существенно снижается в результате внутриводоемных
процессов окисления и седиментации, особенно эффективных вследствие участия в
процессах всей биоты водохранилища [Даценко, 1984]. Общее снижение стока биогенных
веществ установлено также специальными детальными балансовыми исследованиями в
Можайском
водохранилище
[Можайское
водохранилище,
1979].
Интенсивное
самоочищение речной воды наблюдается и в водохранилищах Волги [Волга…, 1978,
Былинкина, 1989]. Степень проявления всей совокупности взаимосвязанных процессов
изменения массы, концентрации и состава веществ в первую очередь зависит от
проточности
водохранилища,
плотностной
стратификации
его
водной
толщи,
соотношения в ней трофогенного и трофилитического слоев. Чем меньше коэффициент
водообмена водохранилища, тем однороднее по солевому составу основная водная
масса, формирующаяся из поступающих в водохранилище речных вод в разные фазы
водного режима, сильнее стратификация по температуре, газовому составу, содержанию
минеральных биогенных и органических веществ, полнее утилизация аллохтонных
органических
веществ
биотой,
больше
интенсивность
седиментации
взвесей
и
соосаждения загрязняющих веществ, т.е. тем сильнее самоочищение водной экосистемы.
Длинные ряды наблюдений за качеством воды Учинского водохранилища позволили
проанализировать влияние коэффициента водообмена на изменение стока биогенных
веществ. За время эксплуатации водохранилища коэффициент его водообмена
постоянно увеличивался вследствие роста производительности водопроводных станций.
Наиболее резкое увеличение коэффициента водообмена произошло в 1954г. в
результате ввода в строй Северной водопроводной станции. В остальные годы это
повышение было относительно плавным (рис. 4.11).
151
Коэффициент водообмена, 1/год
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1938
1954
1990
Годы
Рис. 4.11. Изменение коэффициента водообмена Учинского водохранилища за период
1938 – 1990гг.
Рассчитанные балансы железа, аммонийного иона, нитратов, фосфатов за период
1950-1983гг. позволяют оценить изменение стока биогенных веществ в Волжском
источнике водоснабжения г.Москвы, базовым водохранилищем которого выступает
Учинское водохранилище. Решающую роль в трансформации этого стока
играет
существенное изменение коэффициента водообмена водохранилища, который за это
время изменился с 2.2 до 7.0 1/год. Эти связи представлены на рис. 4.12.
152
А
Б
R2 = 0.6525
70
60
60
50
40
30
50
КR,%
КR, %
80
70
40
30
20
20
10
0
10
R2 = 0.5159
0
0
2
4
Кв
6
0
8
2
В
8
35
30
0
0
2
4
6
-40
R2 = 0.3728
-60
-80
R2 = 0.2057
25
8
KR,%
KR, %
6
Г
20
-20
4
Кв
20
15
10
5
Кв
0
0
Рис. 4.12.
2
4
Кв
6
8
Связь результирующей среднегодового внешнего баланса веществ
(КR=П-С/П, %,
П – поступление, С – сброс вещества из водохранилища). А – железо
общее, Б – аммонийный азот, В – органическое вещество (по ПО), Г – нитраты, Дфосфаты.
Во всех случаях, кроме нитратного азота, с ростом коэффициента водообмена
уменьшается влияние водохранилища на трансформацию стока вещества. Наиболее
тесная связь выявляется для железа, в миграции
которого ведущую роль играет
процесс седиментации. Разница в поступлении и сбросе минеральных форм азота и
фосфора почти не зависит от интенсивности водообмена, поскольку круговорот этих
153
веществ в большей степени связан с продукционными процессами, изменчивость
интенсивности которых в различные годы связана не с водообменом, а с
синоптическими условиями в вегетационный период. Положительная разница для
аммонийного азота и фосфатов обусловлена их поглощением фитопланктоном с
последующей седиментацией последнего в водохранилище. Таким образом, в
процессе внутриводоемного круговорота биогенных веществ прямо или косвенно
доминируют процессы их седиментации и накопления в донных отложениях водоема.
Отрицательная разница притока и сброса нитратов есть результат доминирования в
водной массе водохранилища окислительных процессов. Эти процессы также связаны
с периодом водоомена (коэффициент корреляции здесь статистически значим), т.е. с
длительностью их протекания в водохранилище.
4.4. Содержание растворенного кислорода в водоемах
Высокая
растворенного
лимнологическая
информативность
показателя
концентрации
кислорода обусловлена тем, что изменения его концентрации в воде
интегрально отражают сложный комплекс продукционно-деструкционных и динамических
процессов
в
содержания
экосистеме
водоема.
растворенного
Пространственно-временное
кислорода
позволяет
судить
распределение
об
особенностях
функционирования экосистемы в условиях изменения ее трофического состояния.
При изучении эвтрофирования водоемов важным обстоятельством выступает
вертикальная
неравномерность
биохимических
факторов.
Процесс
фотосинтеза
протекает только в верхнем фотическом слое, деструкция органического вещества
происходит во всей толще воды, при этом количество разлагаемого органического
вещества прямо зависит от продуктивности водоема. Возникающая вертикальная
неоднородность в распределении содержания кислорода может служить эффективным
индикатором продуктивности, а следовательно, трофического состояния экосистемы.
Вертикальная изменчивость кислорода резко усиливается в стратифицированных
водоемах, когда в результате вертикального плотностного расслоения затрудняется
массообмен между слоями. Эта особенность режима кислорода в водоемах обусловила
давний
и
глубокий
интерес
лимнологов
к
характеристикам
его
вертикального
распределения. Еще в 1942 году Абергом и Роде была разработана классификация типов
кислородного
распределения
в
озерах
[Aberg,
Rodhe,
1942].
Согласно
этой
классификации для большинства водоемов характерно клиноградное распределение
кислорода по вертикали с максимумом в верхнем перемешиваемом эпилимнионе и
минимумом в гиполиминионе. Сравнительно редко в озерах наблюдается позитивно или
негативно
гетероградное
распределение
(с
максимумом
или
минимумом
в
металимнионе). Максимум в слое металимниона возникает в условиях, когда толщина
154
фотического слоя превышает толщину эпилимниона. Концентрирующийся из-за перепада
плотности на границе металимниона фитопланктон продуцирует кислород в результате
фотосинтеза. Минимум кислорода в металимнионе также связан со скоплением
органического вещества на в металимнионе, интенсивная деструкции которого при
отсутствии фотосинтеза понижает содержание кислорода и создает локальный минимум
в этом слое. В ярко выраженных олиготрофных или хорошо перемешиваемых озерах
преобладает ортоградное распределение кислорода по вертикали, обусловленное в
первом случае меньшей растворимостью кислорода в прогретом верхнем слое воды и
слабым расходованием кислорода в афотической толще при крайне низкой продукции, во
втором
–
динамическими
клиноградного
причинами
распределения
в
перемешивания
водоемах
не
водной
остается
массы.
постоянным
Характер
в
течение
вегетационного периода. В поверхностных слоях содержание кислорода сохраняется
высоким, благодаря процессам фотосинтеза, аэрации, конвективного и динамического
перемешивания. Короткопериодные колебания кислорода в этом слое – результат
быстрого реагирования как процесса фотосинтеза, так и перемешивания на изменение
синоптических ситуаций. Четко выражен для этого слоя и суточный ход содержания
кислорода, обусловленный
прекращением фотосинтеза ночью и особенностями
свободной
глубинных
конвекции.
В
слоях
при
наличии
достаточно
мощной
стратификации содержание кислорода с течением времени постоянно уменьшается в
результате его расходования на окисление новых и новых порций поступающего сюда в
результате седиментации органического вещества. Поскольку скорость этого уменьшения
зависит от количества поступающей в гиполимнион органики, которая, в свою очередь,
определяется уровнем продукционных процессов в водоеме, то она служит индикатором
трофического состояния водоема. Ясно, что надежность такого показателя будет
зависеть
от
степени
изолированности
гиполимниона,
т.е.
от
степени
стратифицированности водоема. Последняя же представляется функцией динамических
и морфометрических характеристик водоема.
Внимание
к
показателю
потребления
кислорода
в
гиполимнионе
(ПКГ)
обусловлено еще и тем, что формирование зон аноксии в глубинных слоях водоемов
рассматривается
вызывающее
как
одно
замор рыбы,
из
крайне
негативных последствий
появление в
воде
метана
и
эвтрофирования,
сероводорода и
ряд
неблагоприятных для экосистемы изменений в химических процессах на границе водадно. В общее потребление кислорода в гиполимнионе водоема вносят вклад потребление
в результате разложения оседающего органического вещества непосредственно в водной
толще гиполимниона и потребление кислорода донными отложениями в процессе
биохимических и химических превращений осевшего на дно органического вещества.
Обратная связь накопления органического вещества на дне водоема с его
глубиной, а с последней
тесно связана толщина гиполимниона, продемонстрирована
155
М.В.Мартыновой по данным для различных типов водоемов [Мартынова, 1984].
Соотношение процессов потребления кислорода в воде и донными отложениями
варьирует в значительных пределах в зависимости от трофического состояния водоема,
состава донных отложений и типа бентоса, от доминирующей роли донных отложений в
потреблении кислорода до совершенно незначащего вклада. Выявлению роли донных
отложений в кислородном режиме водоемов и потреблении кислорода в гиполимнионе в
частности посвящено немало специальных исследований, в которых установлены
основные факторы и особенности этого процесса [Brewer et al., 1977 , Seiki et al., 1994,
Ломова, 1995].
Несмотря на наличие не связанных с трофическими характеристиками факторов
потребления кислорода, значимость этого показателя для оценки трофического
состояния достаточно высока.
Определение величины потребления кислорода в гиполимнионе (ПКГ) водоемов
основывается на нескольких предположениях: 1) потребление кислорода в гиполимнионе
происходит линейно, т. е. не зависит от концентрации самого кислорода, 2) толщина
гиполимниона остается постоянной в течение периода измерений, 3) обмен кослородом с
эпилимнионом,
а
также
горизонтальная
адвекция
кислорода
отсутствуют.
Обоснованность первого предположения была подтверждена Р.Корнетом и Ф.Риглером
путем
специальных
исследований
в
озерах
[Cornett,
Rigler,
1979].
Изменение
концентрации кислорода в гиполимнионе уменьшалось линейно, при этом величина
потребления кислорода в водной толще не обнаружила связи с величиной концентрации
кислорода во всем диапазоне наблюдаемых концентраций вплоть до концентрации 0.3
мг/л. При меньших концентрациях процессы становятся анаэробными и линейность
нарушается. В реальности толщина гиполимниона, особенно в относительно неглубоких
водоемах может варьировать в течение вегетационного периода значительно, также как и
подпитка кислородом из вышележащих слоев в результате эрозии термоклина, однако
считается, что вклад этих факторов в общий процесс ПКГ невелик и они не учитываются.
Доказательство линейности процессов ПКГ позволили С.Чапра предложить простую
модель для расчета скорости ПКГ в озерах с учетом обмена кислородом между слоями.
[Chapra, Reckhow, 1983]. Эта модель предоставляет возможность оценить уровень
первичной продукции озера, при котором концентрация кислорода в гиполимнионе может
снизиться до нулевых значений, т.е. возникнут анаэробные условия.
Необходимо отметить, что для водоемов с заметными сезонными изменениями
температуры воды в определенные периоды характерно возникновение перенасыщения
и дефицита кислорода, вызываемое физическими причинами и растворимостью
кислорода в воде и называемое кислородным гистерезисом. Однако в целом
биохимические факторы в мезотрофных и эвтрофных водоемах оказывают на
содержания кислорода в воде гораздо более сильное влияние, чем физические.
156
Подробные наблюдения, проведенные на Можайском водохранилище в течение
нескольких лет позволяют проанализировать кислородный режим типичного долинного
слабообменного водохранилища умеренного пояса.
В период весенней вертикальной изотермии содержание кислорода по вертикали
изменяется незначительно и составляет 75-95% насыщения. Летом в эпилимнионе (до
глубины 6-8 м) содержание О2 постоянно высокое (> 70%). В поверхностном слое, где
интенсивен фотосинтез, его содержание в отдельные дни может превышать 200%
насыщения. В гиполимнионе с момента его образования начинается быстрое (до 400-500
мг/(м3сут)) уменьшение содержания О2. Наибольшие вертикальные градиенты снижения
концентрации кислорода (до 3-5 мг/(л м)) обычно совпадают со слоем температурного
скачка. В конце лета в пробах воды из придонного слоя глубоководных участков иногда
отмечается запах сероводорода. Размеры летних зон аноксии с концентрацией
кислорода
менее
2
мг/л
в
водохранилищах
изменяются
в
зависимости
от
гидрометеорологических условий года. Однако, характерной чертой кислородного режима
водохранилища в последние годы стало постепенное увеличение зоны аноксии в течение
лета и ее быстрое восстановление после кратковременного перемешивания.
Развитие зоны аноксии в Можайском водохранилище течение летнего периода
показано на рис. 4.13. (по [Кременецкая, 2001])
157
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-5
-5
-10
-10
-15
-15
06.07.97
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
45
-5
-10
-10
-15
-15
-5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
15
20
25
30
35
40
45
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-5
-10
-10
-15
-15
27.06.99
10
02.07.98
17.06.98
5
5
18.07.98
-5
0
0
16.07.99
158
Рис. 4.13. Распределение растворенного кислорода в Можайском водохранилище в
летний период 1997-1999 гг. (По оси «х» - расстояние от плотины, км, по оси «у» глубина,
м).
Как видно на приведенных рисунках, даже за сравнительно короткий период
времени в водохранилище заметно растут размеры зоны аноксии (содержание кислорода
менее 2 мг/л на рисунке выделено черным цветом). В июле в поверхностных слоях
наблюдается пересыщение воды кислородам в результате активного фотосинтеза в
дневные часы.
Осеннее перемешивание приводит к выравниванию содержания растворенного
кислорода по глубине и его повышению от 60-70% до 90-95% насыщения в момент
замерзания водохранилищ. Зимой вновь устанавливается кислородная стратификация. В
период ледостава из-за практически полного отсутствия фотосинтеза и прекращения
газообмена с атмосферой концентрация в воде уменьшается и в конце зимы в придонном
слое
глубоководных
участков
оно
меньше
10%
насыщения.
Таким
образом,
бескислородные условия в гиполимнионе высокопродуктивных водохранилищ достаточно
типичны и для зимнего периода. Отсутствие внутриводоемных источников кислорода в
зимний период позволяет ориентировочно оценить масштабы расходования кислорода
на
процессы
деструкции
кислородного баланса в
органических
веществ
в
водохранилище.
Расчетами
Можайском водохранилище зимой показано, что наиболее
активно зимнее самоочищение воды происходит в первый месяц после образования
ледяного покрова, когда расход растворенного в воде кислорода на деструкцию
органического вещества может достигать 0.3-0.4 мг О2/(лсут) (Пуклаков и др., 2002). На
деструкцию органического вещества в этом водохранилище в зимний период 1983/1984
гг. было израсходовано более 500 т растворенного кислорода. В кислородном балансе
глубоководных и стратифицированных водохранилищ важную роль играет продольная
циркуляция, порождаемая плотностным течением, которое способствует интенсификации
самоочищения придонных слоев воды и ослаблению в них дефицита кислорода. В
Можайском водохранилище плотностной поток переносит до 20% массы растворенного в
159
воде кислорода, поступающего в приплотинный район в результате внутреннего
водообмена, что замедляет формирование там гипоксидной зоны.
Особенности изменения содержания растворенного кислорода по глубине в течение
вегетационного периода демонстрируют данные регулярных наблюдений на русловой
вертикали Красновидовского плеса Можайского водохранилища в 1999 году (рис. 4.14).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
-5
-10
Рис. 4.14. Распределение кислорода с мая по сентябрь (по оси «х» сутки, начиная от 1
мая. По оси «у» - глубина, м) в Красновидовском плесе Можайского водохранилища в
1999 году.
При общности экологических механизмов функционирования экосистем озер и
водохранилищ существенные различия в морфологии и гидрологическом режиме
последних обусловливают заметную специфику пространственно-временных изменений
содержания кислорода в водохранилищах в вегетационный период. Для водохранилищ в
летний период характерно клиноградное распределение кислорода по вертикали,
обусловленное плотностной стратификацией. Как показывают наблюдения, между
максимальными градиентами содержания кислорода и температуры существует тесная
зависимость, не зависящая от природной зоны, в которой расположено водохранилище
(рис. 4.15 )
160
а)
dO/dt, мгО/л/м
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
dT/dz, град/м
б)
dOD/dz
8
R2 = 0,7421
6
4
2
0
0
0,5
1
1,5
2
dT/dz
Рис. 4.15. Зависимость между максимальными градиентами температуры воды и
содержания
растворенного
кислорода
в
Можайском
водохранилище
(а)
и
в
водохранилищах северо-востока Бразилии (б).
Пространственное положение слоя максимальных градиентов кислорода в
водохранилищах почти горизонтально и в соответствие с асимметрией ложа толщина
гиполимниона плавно увеличивается к плотине. Как положение термоклина и оксиклина,
так и градиенты в них не остаются постоянными, и, в зависимости от синоптических
161
условий,
испытывают короткопериодные колебания, непосредственно
влияющие на
характер вертикального распределения кислорода.
Наиболее общие черты кислородного режима в водохранилище – образование и
постепенное в течение лета заглубление термоклина и оксиклина, его относительно
горизонтальное положение вдоль водоема и короткопериодные колебание градиентов, в
целом сохраняются от года к году. Однако, характерные в отличие от озер колебания
уровня водохранилищ как в отдельные годы, так и в течение вегетационного периода
вносят определенные изменения. В многоводные годы в водохранилищах многолетнего
регулирования при высоком, как правило, уровне процессы расслоения водной массы
выражены менее отчетливо, градиенты в слое термоклина меньше и вероятность
появления зон аноксии в гиполимнионе мала. В маловодные годы при низком уровне и
особенно в условиях жаркой погоды, сопровождающей обычно маловодье, продукционнодеструкционные процессы протекают более напряженно и градиенты пространственных
изменений кислорода возрастают.
В водоемах тропической зоны главным фактором кислородного режима выступают
активные биологические процессы в течение всего года. Температурного и плотностного
расслоения в этих полимиктических водоемах не наблюдается, но в вертикальном
распределении кислорода клиноградность сохраняется и даже усиливается. Причиной
столь резких изменений кислорода в этих водоемах выступает очень высокая скорость
биохимических
процессов
вследствие
высоких
температур
воды
и
высокой
продуктивности водоемов. В периоды активного фотосинтеза пересыщение воды
кислородом в поверхностном слое, достигающее 200% - явление обычное, также как
обычным явлением можно считать и широкое распространение бескислородных зон в
глубоких слоях водоемов. Отсутствие ярко выраженного плотностного расслоения и,
соответственно, привычного для водоемов умеренной зоны деления водной массы на
эпилимнион, металимнион и гиполимнион лишает всякого смысла использование в этих
водоемах показателя скорости потребления кислорода в гиполимнионе. Вместе с тем в
этих водоемах вертикальные изменения содержания кислорода хорошо отражает
особенности продукционных процессов в водоемах.
Как уже указывалось, бескислородные условия в гиполимнионе водохранилищ,
кроме непосредственного влияние на особенности развития ихтиофауны водохранилищ,
играют важную роль в круговороте биогенных веществ, способствуя резкому увеличению
потока их минеральных форм из донных отложений, тем самым, поддерживая на высоком
уровне внутреннюю биогенную нагрузку экосистем. Влияние кислородного режима на
содержание биогенных веществ в москворецких водохранилищах иллюстрируют связи
минеральных форм биогенных элементов (аммонийный азот и фосфор) с содержанием
растворенного кислорода в придонных слоях водохранилищ, полученные по данным
гидролого-гидрохимических съемок водохранилищ в летний период (рис. 4.16)
162
Концентрации аммонийного азота
у дна, мг/л
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
R 2 = 0,7309
0
5
10
15
Концентрация фосфатов у дна, мг/л
Содержание растворенного кислорода у дна, мг/л
0,35
0,3
0,25
R2 = 0,376
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
2
4
6
8
10
12
Содержание растворенного кислорода, мг/л
Рис. 4.16. Связи концентраций минеральных форм биогенных веществ с
содержанием
кислорода в придонных слоях москворецких водохранилищ в летний
период.
Тесная связь обнаруживается между содержанием растворенного кислорода и
таким
важным
гидрохимическим
показателем
как
величина
рН.
Генетическая
обусловленность этой зависимости связана с процессом фотосинтеза. Как известно, при
интенсивном фотосинтезе происходит подщелачивание среды и увеличение значений
рН и в тоже время растет содержание кислорода, выделяемого фитопланктоном. Анализ
таких связей в москворецких водохранилищах показал, что они носят линейный
163
характер, не зависят от синоптических условий и характеризуются высокими значениями
коэффициентов корреляции.
Напряженность
и
изменчивость
продукционно-деструкционных
процессов
в
водоеме отражает в самом общем виде запас кислорода в водной массе, определяемый
как произведение концентрации на объем водоема. По мнению О.Ф. Якушко, отношение
запаса кислорода в водоеме через определенные промежутки времени может служить
мерой устойчивости экосистемы [Якушко, Мысливец, 1989]. Резкие колебания запаса
кислорода свидетельствуют о низкой устойчивости экосистемы и ее неспособности
сопротивления антропогенному воздействию. Однако, использование такого показателя
ограничено условиями динамической стабильности водной массы водоема в течение
расчетного периода (неизменности уровня, процессов водообмена). Кроме того, само
понятие «устойчивость экосистемы» пока точно не определено. Сравнение изменений
запасов кислорода может быть успешно применено для ориентировочных сравнительных
оценок трофического состояния близко расположенных водоемов (например, отдельных
озер в озерных районах).
Как было показано в разделе 1, эффективным показателем состояния экосистемы по
режиму растворенного кислорода в озере может служить кислородный индекс (ИК),
определяемый как средневзвешенное значение отклонений концентраций кислорода от
равновесных. Однако, использование кислородного индекса для оценки трофического
состояния может быть эффективно только в стратифицированных водоемах, поскольку
только при расслоении водной толщи режим и вертикальное распределение кислорода
отражает уровень продукционных процессов. Расходование кислорода на деструкцию
органических веществ в гиполимнионе тем больше, чем больше органики продуцируется
в водоеме и поступает на дно. При наличии термоклина возникающие дефициты
кислорода сохраняются и увеличиваются, поскольку подпитка гиполимниона водами
верхних слоев, аэрированными кислородом воздуха, крайне затруднена. Степень этого
вертикального
препятствия
определяется
градиентом
плотности
воды
в
слое
температурного скачка или вертикальной устойчивостью водной массы. Влияние
стратификации на величину кислородного индекса проявляется в существовании тесной
связи между ИК и величиной устойчивости водной массы, полученной нами по
результатам учащенных наблюдений за распределением температуры и растворенного
кислорода в летний период 2001 года на Можайском водохранилище (рис. 4.17 )
164
8
7
ИК, мг/л
6
5
4
2
R = 0.9286
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
Устойчивость, кг/м4
Рис. 4.17. Связь кислородного индекса с величиной устойчивости водной массы
Индекс кислорода применим не только для водоемов умеренной зоны. Цикл
наблюдений за содержанием растворенного кислорода, проведенный на водохранилищах
северо-востока
Бразилии
показал,
что
между
ИК
и
наиболее
простым
и
распространенным показателем трофического состояния – прозрачностью воды по диску
Секки наблюдается тесная зависимость (рис. 4.18)
165
3,5
3
SD, м
2,5
2
R = 0,6021
2
1,5
1
0,5
0
0
2
4
6
ИК, мг/л
Рис. 4.18. Связь прозрачности воды с кислородным индексом для водохранилищ
шт.Сеара (Бразилия).
Следует отметить, что использование осредненных значений индекса для всего
водохранилища
не
всегда
обосновано,
т.к.
например,
в
период
заполнения
водохранилища его верховья находятся под сильным влиянием речных вод, содержащих
большое количество взвесей и характеризующихся низкой прозрачностью, не связанной с
трофическими характеристиками.
4.5. Органические вещества в озерах и водохранилищах
Главные источники органических веществ в воде водоемов – приток органических
веществ с речным стоком (аллохтонное органическое вещество) и продукция водных
организмов
(автохтонное
органическое
вещество).
Аллохтонное
вещество
в
водохранилищах представляет собой важный источник энергии для экосистемы
[Richey, Wissmar, 1979].
Обнаруженное во многих водохранилищах превышение
деструкции органического вещества над продукцией обусловлено этим избытком
аллохтонного вещества.
166
Автохтонное органическое вещество образуется в водохранилищах в результате
процессов биологического продуцирования и, в первую очередь, продуцирования
фитопланктона. Из косвенных показателей органического вещества особое значение
имеет определение величины БПК. Помимо потребления кислорода в процессе
окисления лабильной (в основном фитопланктонной и бактериальной) органического
вещества, в периоды активного фотосинтеза определенный вклад в величину БПК вносит
дыхание водных организмов.
С
увеличением
продуктивности
водоема
возрастает
роль
автохтонной
составляющей в общем балансе органического вещества водоема. Так, в близком к
эвтрофному состоянию Можайском водохранилище автохтонное органическое вещество
в годовом балансе в 10 раз превышает аллохтонную составляющую [Сахарова, Левшина,
1992].
Автохтонная
органического
органика
вещества.
относится
к
Ориентировочные
типу
легкоразлагаемого
количественные
лабильного
оценки
состава
органического вещества водоема могут быть сделаны по соотношениям косвенных
показателей [Скопинцев, 1950]. Значения отношения БПК5 / ПО (ПО – перманганатная
окисляемость воды) выше 0.15 указывают на наличие значительного количества
автохтонного органического вещества в водоеме, при значениях менее 0.10 в водоеме
доминирует стойкое органическое вещество, в основном аллохтонного происхождения.
Значение этого отношения в водохранилищах закономерно повышается в вегетационный
период и минимально в зимний период. Типовой график изменений соотношения БПК и
ПО во входном створе (Пестово) и в нижнем бьефе Учинского водохранилища,
полученный осреднением многолетних данных (1957-1999) представлен на рис. 4.19.
167
0.3
БПК-5/ПО
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Месяцы
Пестово
Нижний бьеф
Рис. 4.19. Внутригодовой ход соотношения БПК/ПО в Учинском водохранилище.
В балансе органического вещества водоемов замедленного водообмена большую
роль играет процесс седиментации. При образовании в результате фотосинтеза в
верхнем фотическом слое взвешенного органического вещества (сестона), частицы
которого имеют несколько больший удельный вес, чем вода, возникает вертикальный
седиментационный
поток.
Чем
больше
взвешенного
органического
вещества
продуцируется в водной массе водоема, тем более интенсивен седиментационный поток.
Влияние продуктивности водоема на седиментацию органического вещества проявляется
в существовании тесной зависимости между величиной первичной продукции и
накоплением органического вещества на дне водоема. Линейный характер этой
зависимости не изменяется для водоемов, характеризующихся различным соотношением
аллохтонного и автохтонного органического вещества [Мартынова, 1988].
Процесс седиментации органического вещества в водоемах сопровождается
непрерывной минерализацией его в водной толще. От соотношения интенсивности
седиментации и минерализации зависит доля взвешенного органического вещества,
достигающая
дна
водоемов.
Многочисленные
экспериментальный
исследования,
проведенные на континентальных водоемах, показывают, что доля минерализующегося в
водной толще органического вещества колеблется в пределах 60-90% [Романенко, 1985].
Вертикальный поток неравномерен и находится в сильной зависимости от степени
168
стратифицированности водоема. В термоклине скорость осаждения резко падает, а
минерализация достигает максимальной интенсивности. Поскольку минерализация
органического вещества приводит к регенерации биогенных элементов с последующим их
включением
в
продукционный
процесс,
стратифицированность
водоема
может
рассматриваться как важный фактор поддержания уровня первичной продукции водоема.
Наиболее надежный метод количественной оценки трансформации ОВ в водоеме
замедленного водообмена - расчет баланса ОВ. Простым и в то же время достаточно
информативным показателем влияния водоема на трансформацию стока ОВ может
служить относительная доля изменения массы ОВ в водоеме в процессе замедления
стока, или коэффициент удержания ОВ ( КRов ) (по аналогии с известным коэффициентом
удержания фосфора)
КRов 
ПР
П
где П и Р – сумма приходных и расходных составляющих баланса ОВ в водоеме.
Главными факторами трансформации стока ОВ как в водохранилищах, так и
озерах выступает степень замедления стока, характеризуемая коэффициентом внешнего
водообмена или временем пребывания воды в водоеме, и структура баланса ОВ
(соотношения аллохтонной и автохтонной составляющей в приходной его части). В свою
очередь структура баланса ОВ также косвенно связана с интенсивностью водообмена.
Чем выше проточность водоема, чем большую роль в балансе ОВ в нем играет приток
аллохтонного ОВ.
Связи между этими величинами проанализированы нами с
использованием данных, обобщенных М.Сакамото [1996] по некоторым наиболее
изученным
водоемам
мира,
и
дополненных
нами
информацией
о
некоторых
водохранилищах России (табл. 4.5).
169
Таблица 4.5
Характеристики органического вещества, его удержания и водообмена некоторых
озер и водохранилищ мира (по [Sakamoto, 1996]).
ОВалл
ОВавт
ОВалл/
ОВавт
г/м2 год
Кв
Hср
КRов
год-1
м
%
Озера
Балатон (Венгрия)
Миррор (США)
Лоуренс (США)
Красное (Россия)
Вингра (США)
Киннерет (Израиль)
Пааярви (Россия)
Финдли (США)
Марлон (США)
11.5
36
50
84
104
121
126
164
1580
250
100
342
269
1200
1312
174
10
160
0.05
0.36
0.15
0.31
0.09
0.09
1.7
16.4
9.9
0.27
1.00
1.33
0.87
2.09
0.21
0.30
7.16
66.36
3.2
5.6
5.9
6.6
2.4
24
14.4
7.8
2.4
85
80
86
95
99
64
15
14
Водохранилища
Ди Грей (США)
Рыбинское (Россия)
99
232
145
152
0.68
2.28
0.98
1.27
9.0
5.6
74
74
Вако (Япония)
Киевское (Украина)
Кременчугское
(Украина)
Иваньковское (Россия)
384
408
410
626
418
1000
0.61
0.98
0.41
5.07
8.90
2.25
4.0
4.0
6.0
65
58
-
917
340
2.7
8.30
3.4
57
Изабелла (США)
Слапы (Чехия)
Можайское (Россия)
2500
3361
234
1000
183
500
2.5
34.8
0.47
9.61
1.81
1.15
2.6
22.3
7.5
36
28
38
Прямая связь между соотношением аллохтонного и автоохтонного органического
вещества в водоемах и коэффициента водообмена обусловлена влиянием проточности
на приток органического вещества (рис. 4.20). В главе 3 было показано, что
продукционные характеристики водоемов, а, следовательно, образование автохтонного
ОВ в водоеме, непосредственно не связаны с интенсивностью внешнего водообмена.
Следует отметить, что в водохранилищах и озерах структура баланса органического
вещества нередко существенно различается. В водохранилищах, как правило, приток
аллохтонного органического вещества значительно выше, чем в озерах, и как следствие,
170
в этих водоемах выше величина деструкции ОВ. Связь соотношения аллохтонного и
автохтонного
органического
вещества с водообменом иллюстрируется
рисунком,
построенным по опубликованным данным. На приведенном графике отдельно показаны
водохранилища, точки которых располагаются в основном выше озерных.
R2 = 0.4908
5
LN(ОВалл/ОВавт)
4
3
2
1
0
-4
-2
-1
0
2
4
-2
LN(Кв)
Рис. 4.20. Связь между соотношением аллохтонного и автохтонного ОВ с коэффициентом
водообмена в водоемах (точки прямоугольные – водохранилища, точки круглые – озера)
Анализ колебаний самоочищающей способности водоемов от ОВ показывает, что
уменьшение содержания ОВ в водоемах также связано с интенсивностью его внешнего
водообмена (рис. 4.21).
171
120
R2 = 0.5522
100
R(%)
80
60
40
20
0
-2
0
2
4
6
LN(Кв)
Рис. 4.21. Зависимость величины снижения содержания ОВ в водоеме от коэффициента
его водообмена
В
слабоводообменных
биоседиментация
ОВ
водоемах
аллохтонного
более
глубоко
происхождения,
и
полно
происходит
усиливается
физическая
седиментация взвешенных ОВ. Продуцируемое в результате фотосинтеза ОВ относится
к
лабильному
(легкоокисляемому)
ОВ,
большая
часть
которого
окисляется
непосредственно в водной толще, не достигая дна при осаждении [Романенко, 1985]. Эта
составляющая баланса ОВ представляет собой главный энергетический резерв
экосистемы водоема. Вследствие относительно быстрой трансформации органического
вещества планктонного происхождения внутри водоема ее доля в сбросе из водоема
оказывается
небольшой.
интенсифицируются
происхождения,
Кроме
биохимические
того,
в
процессы
высокопродуктивных
окисления
ОВ
водоемах
аллохтонного
поэтому такие водоемы характеризуются высокой самоочищающей
способностью в отношении ОВ. Это подтверждается наличием тесной связи между
соотношением автохтонной и аллохтонной органики и удержанием ОВ в водоеме (рис.
4.22).
172
R2 = 0.6252
120
100
R(%)
80
60
40
20
0
-4
-2
0
2
4
LN(ОВалл/ОВавт)
Рис. 4.22. Связь снижения ОВ в водоеме с соотношением автохтонного и аллохтонного
ОВ.
Два главных фактора самоочищающей способности водоема от ОВ – интенсивность
водообмена и соотношение автохтонной и аллохтонной составляющих в балансе ОВ можно считать относительно независимыми, поскольку, как было отмечено, продукция
автохтонного
ОВ
прямо
не
определяется
проточностью
водоема.
Уравнение
множественной регрессии (с коэффициентом корреляции 0.90) в этом случае имеет
вид
ОВав т
КRов  11.0  ln
 5.4  К в  65.8
ОВалл
Проверка приведенного выше уравнения связи удерживающей способности
водоемов по ОВ проведена нами на независимом материале по балансам ОВ
различных озер и водохранилищ, не использованных при вычислении параметров
зависимостей [Рыбинское…, 1972, Куйбышевское…, 1983, Экосистема…, 1989].
Результаты расчетов удержания органического вещества по приведенной выше
формуле показаны в табл. 4.6.
173
Таблица 4.6.
Результаты расчета коэффициента удержания органического вещества в водоемах.
(В скобках – год, за который имеются данные о балансе органического вещества)
Водоем
ОВаллохт
ОВавтохтонн
ОВавт/ОВалл
Кв
гС/м2год
оз.Плещеево
КRфакт
КRрасч
по
по
балансу
формуле
14
283
20.2
0.17
97
100
822
169
4.9
4.2
70
61
316
88
3.6
1.4
71
72
1105
271
4.1
4.2
63
59
(1984-1985)
вдхр.
Куйбышевское
(1960)
вдхр.Рыбинское
(1957)
вдхр.Куйбышевское
(1957)
Результаты расчетов по материалам, представленным в таблице 4.5, показывают,
что при наличии информации о структуре приходной составляющей ОВ в водоеме можно
по величине его водообмена оценить трансформацию органического вещества в нем.
Проведенный
анализ
характеризует
влияние
водоемов
на
трансформацию
органического вещества по среднемноголетним условиям в водоемах, подверженных
эвтрофированию, т.е. с высокой долей автохтонной органики. Естественно, степень этой
трансформации может заметно изменяться в отдельные годы вследствие колебаний
водности притоков и изменчивости внутриводоемных абиогенных и биогенных факторов
первичной продуктивности.
Длительность пребывания воды в водохранилищах определяет также интенсивность
окисления аллохтонных органических веществ, включающих гуминовые вещества,
определяющие
цветность
воды.
Последняя,
представляя
собой
важный
органолептический показатель качества воды, нормируемый в источниках водоснабжения
и питьевых водах, оказывает также существенное влияние на оптические характеристики
водных масс водоема. В этом отношении цветность вод привлекает внимание как один из
факторов, определяющих толщину фотической зоны и развитие продукционных
процессов.
174
Процессы трансформации гумусовых соединений в природных водах изучены пока
явно
недостаточно.
Основные
процессы,
определяющие
снижение
содержания
придающих воде окраску органических веществ в природных водоемах – коагуляция
гумусовых соединений, соосаждение органических коллоидов с гидроокисью железа,
фотохимическое окисление и, возможно, некоторую роль играет биохимическое
окисление водного гумуса [Рощупко, 1970].
Важно, что все эти процессы зависят от
времени пребывания воды в водохранилище, т.е. от его водообмена. Обобщение
результатов наблюдений на Учинском водохранилище показали, что среднемноголетний
эффект обесцвечивания вод в нем составляет 24.6±6.4%.
Осредненные для сглаживания межгодовых колебаний по пятилетним периодам
значения величины снижения цветности в Учинском водохранилище сопоставлены со
Снижение цветности, %
средними за эти же пятилетки значениями коэффициента водообмена (рис. 4.23).
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
Кв
Рис. 4.23. Связь снижения цветности в Учинском водохранилище с коэффициентом
его водообмена.
Очевидная закономерность снижения эффекта обесцвечивания вод с ростом
проточности водохранилища хорошо аппроксимируется
простой формулой [Даценко,
1987]:
175
1
1  1.5 K в
КЦв 
KЦв
–
КЦв 
(
коэффициент
Ц вх  Ц вых
Ц вх
),
снижения
цветности
в
водохранилище
Кв – коэффициент водообмена водохранилища.
Эффект снижения цветности различен в разные сезоны. Построенный типовой график
снижения цветности представленный на рис.4.24, показывает, что максимальное
Снижение цветности, %
снижение цветности наблюдается в летний период, минимальное – зимой.
35
30
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяцы
Рис. 4.24.
Внутригодовое изменение величины снижения цветности в Учинском
водохранилище по среднемноголетним данным.
Снижение цветности хорошо коррелирует с величиной мутности воды (коэффициент
корреляции
–
0.82).
Это
подтверждает
мнение
А.В.Францева,
что
заполнение
водохранилища мутными водами половодья резко стимулирует очистной эффект
водохранилища
по
цветности
[Францев,
1959].
По-видимому,
мелкодисперсные
взвешенные вещества способствуют увеличению интенсивности процессов сорбции и
коагуляции окрашенных коллоидов, что усиливает эффект обесцвечивания вод. В
176
результате закономерное для рек бассейна Верхней Волги повышение цветности в
период половодья у водозаборов водопроводных станций Учинского водохранилища
выражено слабо, а в некоторые годы вообще не отмечается.
Наблюдения за состоянием источников водоснабжения г.Москвы убедительно
показывают, что во многих случаях водохранилища можно рассматривать как звенья
технологической цепи очистки питьевой воды, осуществляющие предварительную
очистку вод в результате действия природных процессов самоочищения, суммарный
вектор которых направлен на улучшение качества воды.
177
Скачать