Моделирование процесса эвтрофирования водоемов (стр. 3 )

Рис. 5.2. Представление водохранилищ на диаграмме Фолленвейдера. Цифрами обозначены водохранилища:

Веселовское, 2 – Волгоградское, 3 – Воткинское, 4 – Горьковское, 5 – Иваньковское, 6 – Ириклинское, 7 – Камское, 8 – Каневское, 9 – Каховское, 10 – Кмевское, 11 – Клязьминское, 12 – Кременчугское, 13 – Куйбышевское, 14 – Можайское, 15 – Рыбинское, 16 – Саратовское, 17 – Угличское, 18 – Учинское, 19 – Цимлянское, 20 – Шекснинское.

В то же время по современным комплексным гидробиологическим оценкам лишь Цимлянское и Кременчугское водохранилища можно отнести к типично эвтрофным водоемам, большинство из них имеют статус мезотрофных или слабоэвтрофных водоемов, а такие водохранилища, как Учинское, Шекснинское скорее относятся даже к олиготрофно-мезотрофным. Отсюда следует, что водохранилища выдерживают более высокие, чем озера, нагрузки биогенными веществами без существенного увеличения их трофического уровня. По этой причине для них оказываются неприемлемыми эмпирические формулы критических нагрузок, полученные для озер, и использованные при разработке стратегии их восстановления [Vollenweider, Kerekes, 1980].  Расчеты по этим формулам дают результаты намного, порой на порядок, ниже фактически наблюдаемых на водохранилищах.

Главная причина неприменимости диаграмм Фолленвейдера для оценки трофического состояния водохранилища  - значительно более высокая доля аллохтонной составляющей в составе взвешенного вещества в водохранилищах по сравнению с озерами. Взвеси способствуют осаждению сорбированного фосфора, делая его недоступным для фитопланктона, поэтому повышенный приток взвесей может быть важным катализатором скорости седиментации фосфора в водохранилищах и снижения их продуктивности. Сделанный вывод подтверждается существованием тесной эмпирической зависимости между среднегодовой концентрацией фосфора и среднегодовой мутностью получена Кэнфилдом и Бэчманом для водохранилищ США. Повышенное содержание взвесей по сравнению с озерами обусловлено и наличием специфического внутреннего источника взвесей – продуктов разрушения и переработки берегов. Этот источник доминирует в приходной части баланса взвешенного вещества водохранилищ [Буторин и др., 1975, Новиков, 1985]. И хотя поступающие от берегов взвеси в основном отлагаются в непосредственной близости от берега, мелкодисперсная их часть несомненно вносит вклад в увеличении сорбции и седиментации фосфора.

Дополнительные источники минеральных взвесей понижают также долю органического вещества в донных отложениях, а как уже подчеркивалось значимость донных отложений как источника внутренней нагрузки биогенными веществами определенно связана с долей органического вещества в них. Таким образом, поступающие в водохранилище минеральные взвеси косвенно понижают их внутреннюю нагрузку. Следует в связи с этим отметить, что иногда практикуемая как водоохранное мероприятие инженерная защита берегов от абразии снижает самоочищающую способность водохранилищ в отношении фосфора и других загрязняющих веществ, сорбирующихся на осаждающееся в водохранилище взвеси.

5.2. Оценка фосфороудерживающей способности водохранилищ

Попытка поиска наиболее значимых факторов фосфорного удержания в водоемах предпринята нами на основе опубликованных в литературе материалов по фосфорному балансу водоемов мира, охватывающих широкое разнообразие природных зон. Из различных литературных источников, где приводятся результаты расчета годовых фосфорных балансов водоемов отобраны данные по 65 водохранилищам.  Эти данные различны по качеству. На некоторых водоемах (Иваньковское, Куйбышевское, Можайское, Учинское водохранилища и др.) регулярные наблюдения велись несколько лет, на других водоемах фосфорный баланс получен на основе эпизодических наблюдений или водного баланса, рассчитанного по данным карт водного баланса. Все это не могло не увеличить разброс точек на графиках связи. И все же использование столь обширного материала имеет несомненные преимущества, поскольку длинные ряды данных сглаживают региональные особенности фосфорного баланса водоемов мира.

Для поиска эмпирических связей использовались следующие характеристики: средняя глубина водоема (Hs), коэффициент его водообмена (Kv), среднемноголетнее содержание фосфора в водоеме (TP), фосфорная нагрузка на водоем (LP), объемная фосфорная нагрузка (LP/Hs), коэффициент удержания фосфора в водоеме (RР), гидравлическая нагрузка на водоем - q (равная произведению коэффициента водообмена на глубину водоема).

Как уже указывалось, более высокий эффект удержания фосфора в водохранилищах в сравнении с озерами связан, как правило, с более высокой нагрузкой фосфора на водохранилища, обусловленной повышенным содержанием взвешенного фосфора в притоке к водохранилищам. В этом случае должна существовать связь между величиной нагрузки и удержания фосфора в водоемах.  Такая связь получена нами на примере Учинского водохранилища, для которого имеется достаточно длинный ряд  (1978-1992) надежных наблюдений за содержанием фосфора  и рассчитанных по ним годовых балансов фосфора. Эта связь представлена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зависимость величины удержания фосфора Учинским водохранилищах от годовой фосфорной нагрузки.

Для учета этого дополнительного фактора в удержании фосфора целесообразно использовать комплексный параметр в виде отношения нагрузки  к коэффициенту  водообмена (LP/Kв).

Помимо разнообразия природных условий большое влияние на разброс точек на графиках связей для всех выбранных водохранилищ  оказывает расположение водохранилищ в речной сети – в каскаде или с незарегулированным притоком  [Даценко, 1998]. Этот фактор требует более детального анализа, поскольку его влияние проявляется сложным образом. Ограничимся разделением водохранилищ только на два типа: каскадные и некаскадные (с незарегулированным притоком).

Размах колебаний параметров в каскадных водохранилищах и водохранилищах с незарегулированным притоком представлен в табл.  5.2.

Таблица 5.2.

Диапазоны изменений параметров балансовых моделей эвтрофирования по выборке

№ п/п	Параметр	Водохранилища в каскаде	Водохранилища с незарегулированным притоком
Кол-во	Диапазон	Кол-во	Диапазон
1	Объем, км3	29	36
2	Концентрация общего фосфора, мкг/л	29	6-198	36	5-200
3	Фосфорная нагрузка, Г/м2год	29	0,19-12,5	36	0,57-9,95
4	Удержание фосфора %	29	4-61	36	25-94
5	Коэффициент водообмена, 1/год	29	0,6-20,2	36	0,3-25,4
6	Средняя глубина, м	29	2,3-44,4	36	1,5-37,8

Целесообразность такого разделения продиктована существенными различиями в процессе удержания фосфора в выделенных типах водохранилищ. Поскольку одно из основных различий озер и водохранилищ связано с более высокой эффективностью удержания фосфора за счет седиментации взвешенного фосфора, доля которого в притоке к водохранилищам в целом выше, чем в озерном притоке. Тогда каскадные водохранилища, принимающие большую часть притока из вышерасположенного водохранилища должны иметь значительно более низкие концентрации фосфорсодержащей взвеси в притоке, чем водохранилища с незарегулированным стоком. Различаются эти типы водохранилищ и по величине водообмена, поскольку большинство водохранилищ, расположенных в каскаде имеют более высокие коэффициенты водообмена, чем головные или расположенные на притоках. Примером могут служить водохранилища каскада Тенесси, в которых коэффициенты водоомена колеблются в каскадных от 26,3 до 130, в водохранилищах на притоках – от 1,78 до 8,5. Всего в нашей выборке оказалось 36 водохранилищ с незарегулированным стоком и 29 каскадных, расположенных на территории России, Украины, Белоруссии, США, Китая, Японии, Южной Африки, Чехии

Результаты расчетов коэффициентов корреляции для этих групп водохранилищ представлены в табл. 5.3-5.4, а графики наиболее значимых зависимостей на рис.  5.4 – 5.5.

Таблица  5.3.

Коэффициенты корреляции для водохранилищ, расположенных в каскаде.

LP	RP	Hs	Kv	q	TP	LP/Hs	LP/Kv
LP	1	0.38	0.21	0.12	0.27
RР	1	0.25	-0.75	0.37	0.05	0.24	0.72
Hs	1	0.23	-0.56	0.20
Kv	1	0.20	0.20
q	1	0.30	0.18	0.24
TP	1	0.83	0.00
LP/Hs	1
LP/Kv	1

Таблица 5.4.

Коэффициенты корреляции для водохранилищ с незарегулированным притоком.

LP	RP	Hs	Kv	q	TP	LP/Hs	LP/Kv
LP	1	0.34	0.27	0.17	0.42
RР	1	0.51	-0.78	0.42	0.29	0.27	0.81
Hs	1	0.63	-0.28	0.26
Kv	1	0.10	0.24
q	1	0.13	0.23	0.63
TP	1	0.86	0.27
LP/Hs	1
LP/Kv	1