Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов (стр. 3 )

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 запас фосфора, кг	Изменение среднесуточного запаса фосфора между фазами, кг	Удельный вынос фосфора, мгР/(м2 сут)
	РМФ	ОФ	РМФ	ОФ
27.06 – 29.06	28.1	38.3
			-0.2	7.5	-0.2
30.06 – 5.07	27.9	45.8
			3.7	8.2	5.0
06.07 – 08.07	31.6	54.0
			18.1	18.0	23.0
09.07 – 14.07	49.7	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 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 [1979] методом экспозиции пробы воды в стеклянных трубках в 70-х годах и позднее, в 1993 году, тем же методом и [Моделирование…, 1995]. Для аэробных условий эти наблюдения дали следующие результаты: 1.6 мг/м2 сут и 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. 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 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 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 олиго-мезотрофным 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).

 

Рис. 4.8. Схема Учинского водохранилища

Типовые графики внутригодовых изменений содержания фосфора в водохранилище представлены на рис. 4.9.

А)

Б)

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 в этот период. Осеннее повышение содержания фосфора обусловлено регенерацией 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.

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 с водой из водоема). В этом разница между поступлением и сбросом отражает суммарное воздействие всех 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).

Рис. 4.11. Изменение коэффициента водообмена Учинского водохранилища за период 1938 – 1990гг.

Рассчитанные балансы железа, аммонийного иона, нитратов, фосфатов за период гг. 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.

 

Рис. 4.12. 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, Д - фосфаты.

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 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 лимнологическая информативность показателя концентрации растворенного кислорода обусловлена тем, что изменения его концентрации в воде интегрально отражают сложный комплекс продукционно-деструкционных и динамических процессов в экосистеме водоема. Пространственно-временное распределение содержания растворенного кислорода позволяет судить 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 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 причинами перемешивания водной массы. Характер клиноградного распределения в водоемах не остается постоянным 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 конвекции. В глубинных 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 как одно из крайне негативных последствий эвтрофирования, вызывающее замор рыбы, появление в воде метана и сероводорода и ряд неблагоприятных для экосистемы изменений в химических процессах на границе вода-дно. 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 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.

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])

06.07.97	18.07.98
17.06.98	02.07.98
27.06.99	16.07.99

Рис. 4.13. Распределение растворенного кислорода в Можайском водохранилище в летний период гг. (По оси «х» - расстояние от плотины, км, по оси «у» глубина, м).