Моделирование процесса эвтрофирования водоемов (стр. 4 )

Рис. 5.4. Связи между параметрами, характеризующими процесс эвтрофирования, для водохранилищ, расположенных в каскаде.

Рис. 5.5. Связи между параметрами, характеризующими процесс эвтрофирования, для водохранилищ с незарегулированным притоком

Различия между этими типами водохранилищ проявляются в особенностях осаждения фосфора, связанных со взвешенным аллохтонным материалом, поступающим с водосбора. Для обоих типов водохранилищ величина коэффициента седиментации определяется, главным образом, величиной интенсивности водообмена. Если помимо  водообмена учитывать еще и фосфорную нагрузку на водоем в виде (LP/Kв), то зависимость коэффициента удержания от указанного параметра становится заметно теснее. Связь коэффициента удержания фосфора с проточностью для каскадных водохранилищ несколько слабее, чем для водохранилищ с незарегулированным притоком. По-видимому, здесь имеет значение тот факт, что при высоком водообмене влияние проточности проявляется менее отчетливо по сравнению с другими факторами.

Для обоих типов водохранилищ среднемноголетнее содержание общего фосфора тесно связано с объемной нагрузкой фосфором на водоем (LP/Hs)  и почти не связано с площадной. Именно объемная нагрузка определяет уровень содержания фосфора в водоеме, а не площадная, используемая в диаграммах Р. Фолленвейдера. На необходимость учитывать объемную нагрузку фосфора указывал еще Гусаков при исследовании эвтрофирования Ладожского озера.

Средняя глубина водохранилища оказывается значимым фактором для содержания фосфора в водоеме  и величины его нагрузки только в каскадных водохранилищах. В первых своих диаграммах Р. Фолленвейдер именно глубину озера рассматривал как важнейший фактор эвтрофирования и коэффициент седиментации определялся в зависимости от глубины. Это подчеркивает некоторую близость процесса осаждения фосфора в каскадных водохранилищах и озерах.

Предложенный нами показатель отношения фосфорной нагрузки к коэффициенту водообмена имеет определенное преимущество перед использованием только коэффициента водообмена при расчете величины удержания фосфора в водохранилищах с незарегулированным притоком. В связи с этим рекомендуется для оценки величины удержания фосфора в водохранилищах использовать эмпирическую формулу, учитывающую фосфорную нагрузку и коэффициент водообмена.

Для водохранилищ с незарегулированным притоком это уравнение имеет вид

Для водохранилищ в каскаде

Это уравнение подчеркивает значимость учета каскадного эффекта при оценке самоочищающей способности экосистем от избыточной фосфорной нагрузки. В каскадных водохранилищах эффект удержания фосфора проявляется слабее, чем в водохранилищах с незарегулированным притоком. Эти уравнения отражают закономерность усиления самоочищающей способности водоема при увеличении внешней фосфорной нагрузки на водоем.

Механизм этого усиления по всей вероятности связан с интенсивностью продукционно-деструкционных процессов превращения органических и минеральных веществ в трофических звеньях экосистемы. Главный стабилизирующий процесс, ограничивающий рост биомассы в этой системе – биоседиментация зоопланктоном фосфорсодержащих органических веществ, отмирание планктона, седиментация детрита. При седиментации детрита происходит  и соосаждение с ним и с гидроокисью железа минерального фосфора на дно.

6.3. Оценка влияния каскада волжских водохранилищ на вынос фосфора в Каспий

       Трансформация химического стока в зарегулированных речных системах относится к одному из самых важных аспектов влияния водохранилищ на окружающую среду. Особую актуальность приобретает эта проблема при мощном антропогенном воздействии на качество воды речных систем и морей, в которые впадают зарегулированные реки. В частности, стоком биогенных элементов, в первую очередь Р, в значительной мере определяется процесс антропогенного евтрофирования водоемов и прибрежных зон морей.

       Одним из самых надёжных и теоретически обоснованных методов оценки влияния водоемов на водный и химический сток считается метод балансовых расчетов. Путем обобщения балансовых данных уже проведены некоторые предварительные оценки удержания Р в отдельных крупных водохранилищах России [Даценко, 1997]  и роли водохранилищ в глобальном континентальном стоке Р [Эдельштейн, Даценко, 1998].  Эти оценки свидетельствуют о важности барьерной роли водохранилищ в формировании биогенной нагрузки на  прибрежные зоны морей и океанов.

Развитие гидротехнического строительства привело к созданию во многих странах каскадов водохранилищ, превративших крупные речные системы в полностью или частично зарегулированные. В России к таким системам в первую очередь относится бассейн Волги. Так как Волга испытывает наибольшую химическую нагрузку [Эдельштейн, 1998]  особый интерес представляет оценка суммарного воздействия каскада ее водохранилищ на сток Р и, соответственно, выявление роли водохранилищ в изменении биогенной нагрузки дельтовой части Волги и Каспия при зарегулировании стока. Иначе говоря, необходимо получить ответ на вопрос: какова была бы волжская часть биогенной нагрузки на дельтовую область и Каспийское море при отсутствии каскада водохранилищ?

        Ориентировочно оценить ее можно на основе обобщения опубликованных данных по балансу Р в каскаде волжских водохранилищ с использованием стационарных моделей расчета концентрации Р в водоемах. В результате многолетних гидроэкологических исследований, проводимых на волжских водохранилищах различными научными организациями, накоплен значительный материал по гидрохимическому режиму и балансу биогенных веществ в водохранилищах [Волга…, 1978, Зиминова, Законов, 1982, Куйбышевское…, 1983, Биологическая…, 1984, Минеева, 1995, Разгулин и др., 1985].  Поскольку наблюдения осуществлялись нерегулярно, приходится допускать, что рассчитанные по данным специальных гидрохимических исследований составляющие баланса Р в той или иной мере отражают среднемноголетние условия. Это допущение несомненно делает подобный расчет весьма приближенным.

       Согласно стационарной балансовой модели среднемноголетняя концентрация Р в отдельном (i-ом) водохранилище каскада может быть определена по формуле

  ,  (1) 

где Робщ  – средняя концентрация общего фосфора в сбросе из водохранилища; Qout  -  годовой сброс воды из водохранилища; Kc  -  коэффициент седиментации Робщ; функционально связанный с удержанием общего фосфора в водохранилище; LP  – боковая фосфорная  нагрузка на водохранилище, W – объем водохранилища.

       Последовательный расчет среднемноголетних концентраций Робщ для всех водохранилищ позволяет, таким образом, определить его концентрацию в нижнем бьефе Волгоградского водохранилища, которая может быть принята в качестве нагрузочной для Каспия с учетом незначительности (по протяженности) участка Волги от нижнего бьефа водохранилища до дельты, но без учета сточных вод гг. Волгограда и Астрахани.

В опубликованных балансовых данных приводится суммарное поступление общего фосфора в водохранилища. Для выделения боковой фосфорной нагрузки водохранилищ из общей нагрузки вычитался приток Робщ из вышележащего водохранилища, определяемый как произведение рассчитанной среднемноголетней концентрации Робщ и среднемноголетнего сброса воды из водохранилища. К вычисленной таким способом боковой нагрузке добавлялось количество общего фосфора, поступающее непосредственно в водохранилище со сточными водами городов, расположенных на его берегах. Приблизительно рассчитать этот вклад можно по данным о населении городов с использованием статистической зависимости [Эдельштейн, 1997]:

  (2)

где М – поступление общего фосфора с городскими канализационными водами, тР/год, N – население, тыс. жителей.

Применяемая балансовая модель основана на гипотезе мгновенного перемешивания, согласно которой концентрация Р в сбросе равна средней концентрации Р в водохранилище. Расчет сброса Р из вышележащего водохранилища по вычисленной средней концентрации в самом водохранилище вполне соответствует принятым допущениям.

В литературе отсутствуют данные о фосфорной нагрузке Саратовского водохранилища. Так как на участке этого водохранилища сток Волги по среднемноголетним данным несколько уменьшается, боковая фосфорная нагрузка со стоком рек может быть принята равной нулю, т. е. с естественным стоком Р поступает только из вышележащего Куйбышевского водохранилища, «разгрузка» которого известна. Однако непосредственно в водохранилище сбрасываются сточные воды крупных городов Тольятти, Самары, Сызрани. Эти воды формируют фосфорную нагрузку Саратовского водохранилища, которая рассчитывалась по вышеприведенной формуле в зависимости от численности населения городов по  энциклопедическим данным [Города…, 1994].

       

Таблица 5.5.

Характеристики водного и фосфорного баланса Волжских водохранилищ и результаты расчета среднемноголетних концентраций фосфора (W – объем водохранилища, Kв – коэффициент водообмена, Kс  - коэффициент седиментации Робщ, LP0 – общая фосфорная нагрузка, LPбок – боковая фосфорная нагрузка, Qсбр – сброс воды из водохранилища, Робщ – рассчитанная  и измеренная концентрация общего фосфора в водохранилище).

Водохрани-лище	W при НПУ, км3	Кв, год-1	Кс, год-1	LPо т/год	LPбок, т/год	Qсбр, км3/год	Робщ
Расч.	Изм.
Иваньковское	1.12	10.6	5.7	1072	1072	9.23	89	101
Угличское	1.24	9.7	2.4	1582	946	10.96	113	100
Рыбинское	25.42	1.9	1.6	2697	1459	30.11	38	49
Горьковское	8.70	6.1	0.2	4290	3146	46.75	88	91
Куйбышевское	57.30	4.1	3.3	30065	25951	234.86	71	103
Саратовское	12.90	17.8	1.0	20359	3684	230.57	84	90
Волгоградское	31.45	7.5	1.9	19231	3091	236.05	76	86

       В табл. 5.5 отсутствует Чебоксарское водохранилище, которое не принималось во внимание вследствие его очень высокой проточности и в связи с этим крайне слабого влияния на трансформацию стока фосфора. Соответственно приток фосфора с водами р. Оки и поступление со сточными водами г. Нижний Новгород рассматривались как нагрузка на нижележащее Куйбышевское водохранилище.