Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по Государственному контракту от 26 ноября 2012 г. № 50-НИОКР/3-8-2012 по базовому проекту 12фцп-Н5-07 «Изучение гидрохимических и гидробиологических характеристик систем водоснабжения на примере г. Москвы»

Руководитель темы К.К. Эдельштейн

Москва 2013

РЕФЕРАТ

МОСКВОРЕЦКАЯ И ВОЛЖСКАЯ СИСТЕМА ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г. МОСКВЫ, ВОДОХРАНИЛИЩА, ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ, ФИТОПЛАНКТОН, АБИОТИЧЕСКИЕ И БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ ФИТОПЛАНКТОНА, ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОХРАНИЛИЩ.

Объект исследования. Объектом исследования по теме НИР являются процессы формирования и трансформации качества воды в экосистемах водохранилищ источниках водоснабжения г. Москвы под влиянием экстремальных синоптических условий, в частности изменение уровня первичной продуктивности водоемов в условиях жаркой погоды.

Цель работы - на основе анализа литературного материала разработать предложения по формированию комплекса факторов, определяющих интенсивность продукционных процессов в водохранилищах, представить обзор основных гидрологических характеристик москворецкой и волжской систем водоснабжения г. Москвы, выявить особенности проявления абиотических факторов развития фитопланктона в водохранилищах обеих систем водоснабжения.

Методология проведения работы. Методология проведения работы предполагает использование математических моделей первичной продуктивности и статистических оценок колебаний характеристик качества воды, основанных на системном подходе к описанию балансовых соотношений в круговороте вещества и энергии в экосистемах водоемов. На первом этапе исследования, представленном в данном отчете, приводится литературный обзор факторов развития фитопланктона и дается оценка особенности их проявления в водохранилищах - источниках водоснабжения г. Москвы.

Результаты работы и их новизна. В результате работы внесены предложения по формированию комплекса факторов, определяющих развитие продукционных процессов в экосистемах водохранилищ. Проанализирован комплекс факторов развития фитопланктона в водохранилищах и составлена классификация этих факторов с учетом иерархии их действия на продукционные процессы в экосистемах.

Новизна работы состоит в том, что для водохранилищ Волжской и Москворецкой систем водоснабжения г. Москвы такой анализ проводится впервые, также как и представленная в работе классификация факторов развития фитопланктона.

Рекомендации по внедрению. Результаты работы по первому этапу темы предполагается внедрить в разработку имитационной математической модели фитопланктона, создание которой планируется на пятом этапе исследования.

Область применения. Математическое моделирование экологических процессов и процессов формирования качества воды водохранилищ. Разработка методов прогнозирования качества воды в источниках водоснабжения. Научное обоснование методов управления качеством воды в водохранилищах сезонного и многолетнего регулирования.

Отчет за первый этап включает три раздела. В разделе 1 (Анализ гидрологических, метеорологических, гидрохимических и трофометаболических процессов в экосистемах водохранилищ) приведен аналитический обзор более 200 научных публикаций, в которых рассматриваются факторы, определяющих процессы первичного продуцирования в озерах и водохранилищах. Авторами отчета разработана схема иерархии комплекса факторов, включающая два основных класса - абиотические и биотические факторы (представлена на рисунке 1). Если биотические факторы (сезонные изменения физиологического состояния клеток водорослей, трофические взаимодействия, конкуренция за источники питания и т.д.), подчиняющиеся фундаментальным биологическим закономерностям, изменяются относительно плавно и медленно, то абиотические факторы, связанные с гидролого-гидрохимическим режимом водоема, характеризуются высокой внутрисезонной изменчивостью. Благоприятное для развития роста и размножения клеток фитопланктона сочетание абиотических факторов приводят к резким вспышкам цветения водорослей.

В соответствие с предложенной классификацией комплекс абиотических факторов состоит из четырех уровней по степени опосредованности влияния факторов на рост и динамику фитопланктона в водохранилищах. К верхнему уровню (географические факторы) отнесены климатическая и синоптическая характеристики территории, ландшафтные особенности водосбора водохранилища, антропогенное воздействие и особенности формы ложа водохранилища. Факторы этого уровня представляют собой два ярко выраженных зональных фактора: ландшафт водосбора и климатические особенности территории, и два азональных: форма ложа водоема и интенсивность антропогенного воздействия, как на сам водоем, так и на его водосбор.

Интенсивность антропогенного воздействия относится к азональным факторам первого уровня и проявляется, прежде всего, в дополнительной (по сравнению с ландшафтно обусловленной) биогенной нагрузке, как на сам водоем, так и на питающий его речной сток с водосбора. Важным элементом антропогенного воздействия следует считать регулирование стока из водохранилища, при котором возникает возможность управления процессами внутреннего водообмена.

Более низкий (водоемный) уровень подразделяет факторы первичного продуцирования на следующие типы:

- гидрологические факторы (внешний водообмен и колебания уровня в водохранилище);

- гидрофизические (динамика вод и термическая структура водной массы водоема);

- гидрохимические (внешняя и внутренняя биогенная нагрузка на экосистему водохранилища).

Структура водного баланса определяет соотношение вертикальной и горизонтальной составляющих внешнего водообмена. Принципиальные различия между этими составляющими имеют важнейшее значение для характера массообмена в водоеме. При увеличении вертикальной составляющей возрастает роль внутриводоемных процессов как факторов трансформации химического стока и, следовательно, возрастает их влияние на процесс круговорота веществ в экосистеме. При доминировании горизонтальной составляющей более значима роль водосбора в формировании абиотического фона экосистемы. Колебания уровня воды в водохранилище в вегетационный период года ведут к изменению соотношения толщины и объема трофогенного (верхнего прогретого) и трофолитического (глубинного холодного) слоев экосистемы водохранилищ. Характер и интенсивность вертикального перемешивания зависит от глубины водохранилища в вегетационный период.

Рисунок 1 - Схема факторов развития фитопланктона в водоемах

Воздействие гидрофизических факторов на фотосинтез фитопланктона неоднозначно. Они могут как усиливать, так и ослаблять продукционные процессы. Приводятся примеры влияния динамики и термической структуры вод на продукцию фитопланктона в водохранилищах.

Из гидрохимических факторов, влияющих на распределение фитопланктона, на первом месте, безусловно, находится концентрация химических веществ в водоеме, которая определяется внешней и внутренней химической нагрузкой. Химический состав и формирование запаса минеральных биогенных веществ в водной массе водохранилища в вегетационный период могут сильно варьировать от года к году в зависимости от соотношения объемов образующих ее исходных водных масс: основной зимней водохранилищной, речной зимней, донной зимней и речной весенней.

Наиболее детально в отчете рассмотрены прямые факторы развития фитопланктона - световые условия, температура воды, запас и распределение биогенных веществ в водохранилище, поскольку именно надежная формализация этих факторов и оценка коэффициентов в модели фитопланктона определяет адекватность результатов моделирования.

Из всего сложного комплекса биотических факторов выделено три относительно самостоятельных типа - факторы конкуренции, физиологическое состояние фитопланктона и пресс организмов более высокого трофического уровня.

В отчете последовательно анализируются приведенные в лимнологической литературе примеры действия рассмотренных факторов. Оценивается степень изученности и особенности проявления различных факторов с учетом современных достижений экспериментальной и теоретической гидробиологии.

В разделе 2 (особенности процессов в отдельных водохранилищах москворецкого и волжского водоисточников) на основе выполненного обобщения и результатов многолетних исследований коллектива авторов отчета представлена краткая гидроэкологическая характеристика водохранилищ Волжской и Москворецкой систем водоснабжения г. Москвы (рисунок 2).

В отчете приводятся принципиальные гидрологические особенности водных объектов систем водоснабжения, связанные с различиями режима регулирования стока: многолетнего регулирования речного стока водохранилищами Москворецкой системы и переброски воды по каналу им. Москвы из Иваньковского водохранилища в водохранилища водораздельного бьефа. Дана краткая характеристика основных закономерностей гидрохимического и гидробиологического режима всех 9 водохранилищ - регуляторов стока.

В разделе 3 (оценка значимости факторов, влияющих на продукционные процессы в водохранилищах) выявлены главные особенности проявления факторов первичного продуцирования в водохранилищах систем водоснабжения г. Москвы. Сделан вывод о том, что большинство рассмотренных факторов одинаково действуют на развитие фитопланктона в географически сходных экосистемах 9 водохранилищ. Обоснована специфика воздействия косвенных абиотических факторов, которые обусловлены различием режима регулирования стока и ландшафтными особенностями водосборов москворецких и волжских водохранилищ. Из рассмотренных нами 14 факторов развития фитопланктона поддаются управлению путем изменения режима эксплуатации гидроузла лишь 4: внешняя фосфорная нагрузка, колебания уровня воды, динамика вод в водохранилище и конкуренция фитопланктона с макрофитами. При этом оба гидрологических фактора - колебания уровня воды, динамика вод в водохранилище - в значительной мере определяют возможность использования остальных двух факторов.

Рисунок 2 - Схема источников водоснабжения г. Москвы

Проведенный анализ факторов первичного продуцирования и особенностей их проявления в водохранилищах Волжской и Москворецкой систем водоснабжения в дальнейшем позволит обоснованно подойти к разработке концептуальных схем, оценке коэффициентов экологических блоков моделей отдельных водохранилищ с учетом разнообразия строения их ложа и гидрологического режима в годы различной водности с экстремально жаркими периодами в течение вегетации фитопланктона и макрофитов.

В последнем разделе 4 (предложения по формированию комплекса факторов, определяющих развитие продукционных процессов в экосистемах водохранилищ) на основе разработанной в первом разделе классификации формулируются предложения по учету комплекса факторов первичного продуцирования фитопланктона в водохранилищах. И абиотические и биотические факторы подразделяются на факторы прямого и факторы косвенного действия. В табличной форме обозначаются пути формализации процессов при моделировании развития фитопланктона, соответственно либо в блоке тепломассообмена, либо в блоке трансформации неконсервативных веществ либо в блоке входной информации. Особенности учета этих факторов по обеим системам московского водоснабжения представлены в виде диаграммы различий по отдельным типам факторов.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Абиотические факторы - различные факторы, не относящиеся к живым организмам, как благоприятные, так и вредные, находящиеся в среде, окружающей живые организмы. Сюда включают, например, атмосферу, климат, геологические структуры, количество света, уровень температур в экосистеме.

Абиотические факторы первичной продукции - совокупность неорганических факторов первичной продукции.

Водохранилище - искусственный водоем, созданный в долине реки, морском заливе, в искусственном или естественном понижении, обычно путем возведения водоподпорных сооружений (плотина, перемычка и т.п.) для регулирования режима водного объекта в хозяйственных или рекреационных целях и защиты территорий от наводнений.

Гидробиологический режим - совокупность биологических процессов, происходящих в водоеме (водотоке).

Гидрологический режим - совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта.

Гидрологическое состояние водного объекта - совокупность гидрологических характеристик водного объекта в данном месте и в данный момент времени.

Гидрологические характеристики - комплекс физических, химических и биологических показателей, с помощью которых можно описать гидрологическое состояние водного объекта.

Гидрохимический режим - закономерное изменение химического состава воды в водном объекте во времени, обусловленное физико-географическими условиями его бассейна и антропогенным воздействием.

Источники водоснабжения - водный объект, вода которого используется или намечается к использованию для централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого, промышленного или сельскохозяйственного водоснабжения.

Качество воды - степень соответствия показателей качества воды потребностям людей и/или техническим требованиям.

Первичная продукция водоемов - биомасса, производимая продуцентами за единицу времени.

Показатели качества воды - совокупность биологических и физико-химических характеристик воды: трофосапробности, солености и жесткости, водородного показателя рН, концентрации вредных веществ.

Продуценты - автотрофные организмы, производящие органическое вещество из неорганического с помощью фотосинтеза или хемосинтеза.

Трофометаболические связи - трофические (пищевые) связи, обеспечивающие трансформацию вещества и энергии в планктонном сообществе.

Фитопланктон - растительная часть планктона, совокупность пассивно парящих и переносимых течениями в толще воды растительных организмов, главным образом микроскопических водорослей, одноклеточных и колониальных.

Фотосинтез - химический процесс, идущий в зеленых растениях под действием солнечной энергии с образованием из диоксида углерода, воды и минеральных солей азота, фосфора и других элементов органических веществ и выделением кислорода как побочного продукта.

Хемосинтез - процесс синтеза органических веществ из углекислого газа за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и других веществ, осуществляемый микроорганизмами в ходе их жизнедеятельности.

Химический состав воды - совокупность растворенных в природных водах минеральных и органических веществ в ионном, молекулярном, комплексном и коллоидном состояниях.

Цветение водохранилищ - массовое развитие фитопланктона, вызывающее изменение окраски воды.

Экосистема - любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЧ - ассимиляционное число.

БПК₅ - величина биохимического потребления кислорода за 5 суток.

ГМВ-МГУ - гидрологическая модель водохранилища, разработанная на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ.

ГЭС - гидроэлектростанция.

Кв - коэффициент водообмена.

КИМ - канал имени Москвы.

НПУ - нормальный подпорный уровень.

ПО - перманганатная окисляемость.

ПП - первичная продукция фитопланктона.

САЧ - суточное ассимиляционное число.

СВС - северная водопроводная станция.

ФАР - фотосинтетически активная радиация.

ХПК - химическое потребление кислорода.

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние решаемой научно-технической проблемы. В настоящее время водоснабжение практически всех крупных городов и мегаполисов в мире базируется на использовании водных ресурсов поверхностных источников. Обеспечение гарантированных расходов воды на водоснабжение достигается созданием водохранилищ глубокого сезонного и многолетнего регулирования стока. Необходимость в таком регулировании стока объясняется тем, что ежемесячная потребность в питьевой воде гораздо менее изменчива в сравнении с естественным стоком большинства рек. Поэтому современные системы источников водоснабжения крупных городов представлены комплексом гидротехнических сооружений, насосных станций, каналов, водохранилищ, участков зарегулированных рек, а их водосборы занимают обширные территории.

Современное и перспективное водоснабжение г. Москвы базируется на регулировании поверхностного стока с двух речных водосборов - р. Москвы и р. Волги. Обе системы источников водоснабжения - Москворецкая и Волжская - представляют собой сочетание как типично техногенных, так и природных водных объектов.

Разнообразие научных и практических проблем, связанных с качеством воды источников водоснабжения г. Москвы чрезвычайно велико - от гидролого-водохозяйственных до чисто химических и геохимических. Это связано, во-первых, с большим различием водохозяйственных комплексов, использующихся для подачи воды на 5 водопроводных станций, во-вторых, с недостатком теоретического описания многих процессов, происходящих в природных водах и определяющих трансформацию состава воды в водных объектах.

Управление водной экосистемой в мировой лимнологии предполагает реализацию комплекса мероприятий, направленных на поддержание или восстановление естественных условий функционирования экосистемы, при которых обеспечивается высокий уровень качества воды. Этот комплекс воздействий на водную экосистему может включать как планирование на отдаленную перспективу, так и реализацию оперативных мероприятий в целях компенсации спонтанно возникающих возмущений. Планирование базируется на разработке стратегии управления экосистемными процессами, в которой определяется хозяйственно-экономическая политика использования водоема и его водосбора. При реализации управления оперативно решаются задачи тактики управления, возникающие из_за ограниченных возможностей прогноза короткопериодных воздействий, таких как резкие изменения погодных условий, притока воды и веществ в водный объект, его аварийное загрязнение и т.д.

К числу важнейших факторов формирования качества воды источников водоснабжения относится гидрометеорологическое воздействие на водоем и, прежде всего, погодные условия. Современные климатические изменения и проявления аномальных синоптических ситуаций заостряют проблему прогноза качества воды и разработки мероприятий по снижению негативных последствий экстремальных воздействий на экосистему водоемов источников водоснабжения.

Актуальность и новизна темы. Активное совершенствование технологий очистки природных вод на водопроводных станциях не приводит к изменению положения, при котором качество и стоимость подготовки питьевой воды находится в прямой зависимости от качества воды, формирующегося в водных объектах - источниках водоснабжения. Главным и непрерывно возобновляющимся источником пресной воды для хозяйства служит речной сток. Свойственная ему пространственно-временная неравномерность, ограничивающая возможность использования речных вод, преодолевается путем его регулирования водохранилищами. Замедление стока в этих объектах ведет к изменению состава и качества речных вод. Наиболее ярко преобразование стока проявляется в долинных водохранилищах глубокого сезонного и многолетнего регулирования стока.

Интенсивное развитие фитопланктона в летний период в водных объектах источников водоснабжения - одна из самых распространенных проблем водоснабжения из поверхностных источников во всем мире. Достаточно хорошо известные отрицательные последствия аномального развития водорослей для качества воды приводят как минимум к резкому возрастанию затрат на водоподготовку на водопроводных станциях.

Водохранилища системы водоснабжения г. Москвы относятся к типу эвтрофных водоемов, т.е. интенсивное развитие цветения фитопланктона в них в вегетационный период - явление обычное. При аномальном цветении водохранилищ станции водоподготовки в полной мере испытывают влияние резкого ухудшения качества воды в водоисточнике. При этом цветение в водохранилищах из_за особенностей их экосистем может развиваться несинхронно, как в пространстве, так и во времени.

В настоящее время в науке не существует не только универсальных, но даже индивидуальных теоретически обоснованных методик прогнозирования развития фитопланктона. Причина этого - чрезвычайная сложность и многофакторность этого явления. Детальный мониторинг цветения слишком трудоемок, поэтому эмпирический материал обычно оказывается недостаточен для разработки методов прогнозирования. Эксперименты с крупными природными системами, какими являются водохранилища, практически нереальны. Поэтому в настоящее время делаются попытки смоделировать развитие фитопланктона путем математического описания закономерностей его роста в водоеме. Эти очень сложные модели должны опираться на модели гидрологического режима, поскольку основные факторы цветения - биогенное питание и термический режим - находятся в сильной зависимости от гидрологических особенностей года.

Все биологические процессы и явления в экосистемах - это производные автотрофного синтеза органических веществ. Фитопланктон относится к тем биотическим компонентам экосистемы водоема, которые определяют общую энергетическую основу круговорота вещества и энергии. Очевидно его влияние на качество воды и интенсивность трофических взаимодействий компонентов экосистемы. Достаточно сказать, что оценка трофического состояния водоема производится в первую очередь по количественным показателям развития фитопланктона. Но, к сожалению, до сих пор остается немало нерешенных вопросов в исследованиях закономерностей сезонных и межгодовых изменений планктонных сообществ. Несомненно, актуальной задачей является оценка и прогноз цветения водохранилищ - источников водоснабжения г. Москвы, поскольку численность и биомасса планктонных водорослей создает определенные проблемы в водоподготовке на водопроводных станциях.

Основание и исходные данные для разработки темы. В настоящее время успехи лимнологов на пути познания закономерностей развития фитопланктона и прогнозирования этого явления более чем скромные. До сих пор в науке не существует не только универсальных, но даже для отдельных водоемов теоретически обоснованных методик прогнозирования развития фитопланктона. Причина этого - чрезвычайная сложность и многофакторность этого явления, хотя главные факторы развития планктона достаточно хорошо известны. Трудность состоит в том, что эти факторы действуют одновременно и с разной интенсивностью. Не имея строгих количественных оценок влияния отдельных факторов, невозможно получить результат их сложной комбинации и спрогнозировать явление.

Достигнутый прогресс в развитии методов исследования динамики экосистем убедительно показывает, что наиболее перспективным методом описания водных экосистем представляется математическое моделирование. К настоящему времени уже накоплен опыт математического моделирования и создано большое количество моделей практически во всех направлениях водно-экологических исследований. Моделирование процессов функционирования экосистемы базируется на методологии системного анализа. Сложные структурные взаимосвязи в экосистеме воспроизводятся с учетом пространственно-временной изменчивости ее компонентов в зависимости от комплекса внешних воздействий. Подобные модели относятся к классу имитационных, или портретных, и разрабатываются на основе законов сохранения и превращения веществ, включают существенные характеристики среды.

В источниках водоснабжения г. Москвы уже давно действует хорошо отлаженная система регулярного мониторинга, осуществляемая лабораториями Мосводоканала. Накоплен большой массив данных о качестве воды, анализ которых позволяет исследовать закономерности колебаний качества воды в водных объектах источников водоснабжения. Однако, до сих пор не существует строго обоснованная схема прогноза качества воды в источниках водоснабжения и далеко не на все проблемные вопросы, в частности оценка масштабов цветения водоемов в зависимости от аномалий погоды, до настоящего времени получены ответы. Попытке ликвидировать образовавшиеся пробелы в оценках состояния водоемов, научно обоснованной разработке мероприятий по регулированию процессов продуктивности экосистем водохранилищ - источниках водоснабжения г. Москвы и посвящена настоящая работа.

Обоснование необходимости проведения НИР. Недостаток информации о функционировании водных экосистем - в настоящее время главное препятствие в разработке научно обоснованных правил управления экосистемой водных объектов. Индивидуальные особенности экосистемы каждого водоема столь значительны, что необходимо очень осторожно подбирать методы управления качеством воды даже в однотипных водоемах, расположенных в сходных географических условиях. Слишком велико многообразие природных и техногенных факторов, определяющих гидрологический и биологический режим того или иного водоема. Именно поэтому примеры успешного регулирования качества воды на основе модельного подхода к управлению водными экосистемами пока крайне малочисленны.

Управление качеством воды - основная цель всех исследований водоисточников, но, к сожалению, не всегда достижимая. Если не рассматривать серьезные гидротехнические проекты (например, создание полисекционных водохранилищ или предводохранилищ), то практически единственным методом управления качеством воды служит управление качеством воды путем оптимизации управления водным режимом водохранилищ. На волжском водоисточнике г. Москвы это крайне затруднительно, поскольку регулирующая роль водохранилищ водораздельного бьефа сведена к минимуму. На Москворецком водоисточнике возможности регулирования несравненно больше, причем регулирование попусками может приводить к изменениям качества воды, как в водохранилище, так и в нижнем бьефе, что не менее, если не более важно для водопроводных станций. Однако для обоснования рекомендаций по изменению регулирования водным режимом необходимо иметь четкие количественные представления о закономерностях изменений качества воды в зависимости от изменений водного режима. Именно на выявление таких закономерностей направлены исследований по теме договора. На основе этих закономерностей, полученных с применением современных методов статистического и имитационного моделирования планируется разработать практические мероприятия по регулированию качества воды в водохранилищах в периоды погодных аномалий.

Цели и задачи первого этапа исследований по теме. Для решения задачи прогнозирования и расчета влияния экстремальных гидрометеорологических явлений формирование качества воды источников московского водоснабжения выявить закономерности изменения продукционных процессов и зависимость интенсивности развития фитопланктона от факторов водной среды в водохранилищах разных типов. Для того, чтобы разработать действенные методы предотвращения интенсивного развития в них водорослей, необходимо понимать механизмы функционирования клеток и знать факторы, которые могут обуславливать вспышки «цветения».

Формирование полей фитопланктона в водохранилищах обусловлено различными причинами. Анализ этого комплекса, особенности проявления каждого из факторов в водохранилищах-источниках московского водоснабжения и оценка их значимости в тенденциях изменения трофического состояния водохранилищ составляют главную цель первого раздела исследований по теме. Разработанную на этом этапе классификацию факторов цветения водоемов предполагается использовать в дальнейшем при разработке математической модели развития фитопланктона в водохранилищах волжской и москворецкой систем водоснабжения г. Москвы.

1. АНАЛИЗ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ, МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ, ГИДРОХИМИЧЕСКИХ И ТРОФОМЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭКОСИСТЕМАХ ВОДОХРАНИЛИЩ

1.1 Географические факторы продукционных процессов

Численность популяции водорослей регулируется равновесием между двумя противоположными тенденциями: потенциалом роста, внутренне присущим данной популяции, и ограничениями, накладываемыми на этот рост средой. Способность среды поддерживать вид варьирует в зависимости от абиотических факторов, таким же образом варьирует и равновесная плотность популяции этого вида.

Теоретически бесконечное разнообразие абиотических и биотических элементов экосистем водоемов, определяющих их первичную продуктивность, целесообразно представить в виде иерархии факторов, характеризующихся различной степенью опосредованности воздействия на главный элемент экосистемы - фитопланктон. Нами предложена следующая схема различных уровней воздействующих факторов (рисунок 3).

Каждый из этих факторов, влияющих на развитие фитопланктона, по_разному проявляется в конкретных водных объектах, а их сложная комбинация формирует особенности функционирования экосистемы водоема и формирования качества воды в отдельные годы.

Факторы первого, наиболее высокого уровня, представляют собой два ярко выраженных зональных фактора: ландшафт водосбора и климатические особенности территории, и два азональных: форма ложа водохранилища и интенсивность антропогенного воздействия на водоем и его водосбор.

Определяющие первичную продукцию факторы в значительной мере интегрируются в таких понятиях, как региональность, климатические условия, географическая широта. Анализ величин первичной продукции континентальных водоемов в зависимости от географической широты впервые произведен М. Брылинским и К. Манном [4] по материалам Международной биологической программы. Прямое влияние климатических условий на продукционные процессы в водоемах в дальнейшем неоднократно обсуждалось в литературе [5, 6].

Рисунок 3 - Схема факторов развития фитопланктона в водоемах

График М. Брылинского и К. Манна уточнен В.В. Бульоном, показавшим, что гиперболическую обратную зависимость продукции от географической широты следует рассматривать как характеристику максимально возможных (потенциальных) величин первичной продукции [7], представляя географическую широту в несколько трансформированном виде (зависимость представлена на рисунке 4).

Рисунок 4 - Зависимость продукции фитопланктона в озерах от географической широты [7]

Важнейшим ландшафтным фактором считается вынос биогенных веществ с водосборов. Величина этого выноса зависит от продуктивности наземных экосистем, которая, в свою очередь, контролируется факторами внешней среды - температурой воздуха, количеством осадков и испарением [8]. Наиболее полный анализ связи пресноводных экосистем с зонально распределенными наземными экосистемами, направленный на подтверждение известной концепции «водоем и его водосбор _ единое целое», проведен В.В. Бульоном [7, 9], который кроме температурного фактора попытался учесть еще и глобальные географические закономерности распределения осадков и испаряемости.

Интенсивность антропогенного воздействия относится к азональным факторам первого уровня и проявляется, прежде всего, в дополнительной (по сравнению с ландшафтно обусловленной) биогенной нагрузке, как на сам водоем, так и на питающий его речной сток с водосбора. Химическая нагрузка на водоем определяется величиной стока биогенных веществ с водосбора, который в свою очередь зависит от ряда естественных и антропогенных факторов, таких как сельскохозяйственное использование земель водосбора. Химический сток вполне предсказуем и в определенных условиях может даже регулироваться. Существуют ориентировочные методы расчета биогенной нагрузки, служащие основой для планирования водоохранных мероприятий. Важным элементом антропогенного воздействия в последнее время становится использование водосбора для целей рекреации. В Московском регионе этот фактор особенно важен, поскольку как Москворецкие, так и Волжские водохранилища являются традиционными местами отдыха москвичей.

При сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, обычно происходит угнетение и обеднение фитопланктона. Первыми, на действие вносимых концентраций токсичных веществ, реагируют крупные формы диатомовых водорослей. Относительно устойчивыми к действию загрязнений являются мелкоклеточные формы водорослей, образующие популяции с высокой плотностью клеток. Быстрое наращивание их биомассы способствует ускорению выведения токсикантов из раствора с отмершими клетками. Токсическое действие металлов на фитопланктон в разных акваториях закономерно определяется физико-химическими и биологическими особенностями среды [10].

Важным антропогенным воздействием следует считать регулирование стока из водохранилища, при котором возникает возможность управления процессами внутреннего водообмена (на рисунке 1 эта возможность отмечена стрелкой, соединяющей «Антропогенное воздействие» и «Гидрологический режим»). Регулирование водного стока водохранилищем неизбежно приводит к появлению комплекса гидродинамических явлений в водоеме, включающий изменения гидрологической структуры водных масс водохранилища, течений и длинных волн различного типа. Сброс воды через разноуровенные отверстия в стратифицированном водохранилище оказывает значительное влияние на гидроэкологичсекие процессы в приплотинном участке и нижнем бьефе водохранилища. большое экологическое значение для нижнего бьефа имеет

Наконец, характер и морфология ложа водохранилища в значительной степени определяет интенсивность и направленность внутриводоемных процессов биогенного круговорота, поскольку от формы ложа зависят особенности внутреннего водообмена в водохранилище. Морфологический фактор в наибольшей степени отличает водохранилища от озер[11]. Общим для морфологии долинных водохранилищ является большая удлиненность, гетероморфность долины и асимметричность с максимальной глубиной у плотины. Положение створа плотины в речной долине определяет размер и емкость водохранилища, при этом в зависимости от характера гидрографической сети разделяют морфологически простые и морфологически сложные водохранилища.

Предложенная нами типизация факторов подразделяет все абиотические факторы на следующие типы:

а) гидрологические, связанные с процессами внешнего водообмена водоема (структура водного баланса). Эти факторы определяют влияние на продукционные процессы общей проточности водоема и колебаний уровня в нем.

б) Гидрофизические факторы характеризуют влияние особенностей внутреннего водообмена на продукционные процессы в водоеме. Эти факторы обусловлены, главным образом, короткопериодными синоптическими воздействиями на водную массу водоема. На этом уровне рассматриваются косвенные гидрофизические факторы, опосредованно влияющие на процессы развития фитопланктона. К ним относятся, в первую очередь, влияние динамики вод на размножение клеток фитопланктона и зависимость продукционных процессов от стратификации водной толщи. Например, статистический факторный анализ влияния 7 гидрофизических характеристик (как косвенных, так и прямых) на фитопланктон канадских озер показал, что они обусловливают от 38 до 61% вариаций концентрации фитопланктона [12].

в) Гидрохимические факторы характеризуют процессы, определяющие формирование запаса биогенных элементов в водной массе водохранилища и пространственно-временную изменчивость их концентраций. Среди этих факторов - внешние, связанные с поступлением химических веществ с водосбора, и внутренние, обусловленные наличием внутриводоемных источников химических веществ для водной массы, к которым относятся, главным образом, донные отложения водоемов.

1.2 Типы абиотических факторов развития фитопланктона в водохранилищах

1.2.1 Гидрологические факторы. Внешний водообмен

От соотношения составляющих внешнего водообмена, т.е. от структуры водного баланса, зависит интенсивность и направленность процессов круговорота вещества и энергии в водоеме, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на уровень продукционных процессов в его экосистеме.

Внешний водообмен определяет обмен воды водоема со смежными участками гидрографической сети, а также с атмосферой и грунтами и, соответственно, имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Принципиальные различия между этими составляющими имеют важнейшее значение для характера массообмена в водоеме. При увеличении вертикальной составляющей возрастает роль внутриводоемных процессов, как факторов трансформации химического стока и, следовательно, возрастает их влияние на процесс круговорота веществ в экосистеме. При доминировании горизонтальной составляющей более значима роль водосбора в формировании абиотического фона экосистемы. Соотношение вертикальной и горизонтальной составляющей зависит от структуры водного баланса водоема, которая в свою очередь определяется его географическим положением, местом в гидрографической сети, размерами и морфометрическими особенностями водоема. Один из важнейших количественных показателей, определяющих структуру водного баланса, - величина удельного водосбора. Чем она больше, тем значительней роль горизонтальной составляющей.

Нередко высказывается мнение, что замедление стока путем создания водохранилищ стимулирует основное следствие антропогенного эвтрофирования водоемов - цветение водоемов [13, 14, 15, 16]. На этом основаны и предложения по ограничению процесса эвтрофирования путем дополнительного обводнения водохранилищ, т.е. увеличения интенсивности водообмена. Как известно, при замедлении водообмена тип экосистемы изменяется с лотического (речного) на лентический (озерный) и потамофильные водные организмы постепенно вытесняются лимнофильными [17]. Теоретически, в биостатической системе увеличение биомассы водорослей лимитируется адвекцией не содержащей фитопланктон воды только в случае, если скорость удвоения биомассы оказывается меньше скорости водообмена в системе [18]. Механизм прямого влияния проточности водоема на его продуктивность состоит тогда в том, что при накоплении биомассы фитопланктона возрастает общая величина первичной продукции. Это возрастание не компенсируется естественным снижением скорости продукционных процессов, которое на самом деле имеет место и подтверждено рядом исследований [18, 19]. Удаление биомассы водорослей в результате адвекции при быстром водообмене происходит быстрее, чем образование новой биомассы, лимитированной скоростью потребления доступных биогенных элементов клетками водорослей, поэтому накопления биомассы не происходит и цветение не развивается. Таким образом, в высокопроточных водоемах биогенное лимитирование процесса первичной продукции представляется вторичным фактором по сравнению с влиянием адвекции на развитие фитопланктона.

По существующим оценкам удельной скорости роста фитопланктона [20] влияние замедления водообмена на увеличение продуктивности проявляется только в водоемах с очень высокими значениями коэффициента водообмена и уже при значении коэффициента ниже 52 год-¹ (что соответствует периоду водообмена 7 суток) первичная продукция водоема становится независимой от горизонтальной адвекции. Эти теоретические выводы были подтверждены детальными наблюдениями, проведенными Д. Собалле и С. Тренкелдом в притоке и сбросе небольшого высокопроточного (средний период водообмена 5 суток) водохранилища во Флориде [18]. При очень низкой удельной скорости роста фитопланктона в исследованном ими водохранилище и высокой его проточности увеличение концентрации хлорофилла и общего содержания органического вещества в сбросе по сравнению с притоком коррелировало с проточностью водохранилища только в диапазоне периодов, при которых отношение периода водообмена к удельной скорости роста фитопланктона было больше единицы.

Следует отметить, что влияние водообмена на развитие фитопланктона заметно проявляется только в случае, когда поступающие в водоем воды характеризуются отсутствием фитопланктона или меньшим его содержанием, чем в самом водоеме. В интенсивно «цветущей» реке эффект замедления стока не увеличит степени развития планктона, если остальные факторы первичного продуцирования остаются неизменными. Таким образом, теоретически даже при очень низкой удельной скорости роста фитопланктона, порядка 0,1-0,2 сут-¹ период водообмена должен быть всего одну неделю, чтобы удаление фитопланктона в результате адвекции оказывало существенное влияние на продукционные процессы. Подавляющее число озер и водохранилищ имеют период водообмена намного больше указанного значения, поэтому прямое влияние «вымывания» фитопланктона в них не проявляется.

Тем не менее, попытки получить прямые зависимости величины продуктивности водоемов от периода их водообмена, предпринятые в ряде эмпирических исследований [21, 22, 23, 24, 25, 26], привели к пороговому значению периода водообмена 60 дней, что значительно выше расчетного. Например, М. Страшкраба использовал многолетние наблюдения за продуктивностью фитопланктона в водохранилище Слапи в вегетационный период при различных значениях периода водообмена в этот период, изменяющихся в разные годы в пределах 20-100 дней, для построения зависимости первичной продукции и величины биомассы фитопланктона от периода водообмена. Зависимость, полученная М. Страшкрабой, характеризуется резко выраженным максимумом при значениях водообмена в диапазоне 40-60 дней [27]. Подчеркнем, что эти пределы влияния водообмена получены не расчетами скоростей процессов, а путем статистической обработки данных. Однако корректное сопоставление продуктивности и водообмена водоема может производиться только при полном соблюдении идентичных условий развития фитопланктона в водохранилище при различных периодах водообмена. Как уже указывалось, при увеличении периода водообмена и ослаблении горизонтальной его составляющей в водоеме заметно усиливаются процессы, связанные с внутриводоемной динамикой вод. Таким образом, изменения интенсивности внешнего водообмена неизбежно вызывают изменения ряда абиотических факторов развития фитопланктона. Эти особенности в маловодные годы при увеличении периода водообмена могут определять увеличение первичной продукции в водохранилище. Стоит добавить неизбежную несравнимость погоды при такой статистике.

Однако колебания водности года и интенсивности водообмена водоема могут приводить и к противоположному результату. Например, увеличение интенсивности водообмена в многоводные годы сопровождается увеличением притока воды в водоем, с повышенной концентрацией биогенных веществ [28, 29]. Следствием возрастания биогенной нагрузки может быть увеличение первичной продукции фитопланктона в вегетационный период. Например, Р. Тернер с коллегами [30] при изучении влияния водообмена на баланс биогенов и продуктивность небольшого водохранилища Талкин (Флорида, США) получил, что в многоводный год при высокой проточности водохранилища его продукция была в 2 раза выше, чем в маловодный. Этот результат Р. Тернер объясняет более высоким содержанием доступного фосфора в водохранилище в год с высокой проточностью, в то время как в годы пониженного водообмена более благоприятны условия осаждения сорбированного минерального фосфора, ниже его концентрация, а, следовательно, и продукция. Кроме того, при изменении интенсивности водообмена скорость образования новых клеток фитопланктона, характеризующаяся в гидробиологии временем удвоения клеток, становится более важным фактором, чем доступность биогенов. При обилии биогенных элементов в водоемах с коротким временем пребывания воды начинают доминировать быстрорастущие виды водорослей, а общая величина продукции при этом сохраняется неизменной [31].

Для подтверждения мнения о прямом влиянии внешнего водообмена на трофическое состояние экосистем иногда привлекаются диаграммы Р. Фолленвейдера. Действительно, в качестве одного из факторов, определяющих трофический уровень водоема, Р. Фолленвейдер использует величину гидравлической нагрузки (отношение годового притока воды к площади водоема), функционально связанной с коэффициентом водообмена. Но, как подчеркивал сам Фолленвейдер, гидравлическая нагрузка применена в диаграммах вместо глубины водоема для того, чтобы учесть фактор влияния внутренней нагрузки на общее поступление биогенных веществ в водоем, которая более высока в малопроточных водоемах [32]. Возрастание внутренней нагрузки в условиях замедления водообмена безусловно способствует увеличению первичной продукции в вегетационный период. Однако в этом случае речь идет лишь о косвенном, опосредованном влиянии водообмена на характер функционирования экосистем и на трофическое состояние озер и водохранилищ.

Таким образом, даже в одном водоеме связанные с изменением водности притоков межгодовые колебания интенсивности водообмена неоднозначно влияют на изменение условий для развития фитопланктона. Закономерности этих изменений изучены еще явно недостаточно и полученные в рассмотренных работах статистические связи между периодом или коэффициентом водообмена и величиной первичной продукции отражают лишь косвенное, опосредованное влияние изменения абиотических факторов на продуктивность экосистем в различные по водности годы. Если же рассматривать среднемноголетние характеристики водообмена и продуктивности различных водоемов, то связь их продуктивности с интенсивностью водообмена не выявляется. Попытка получить такую зависимость с использованием данных по характеристикам первичной продуктивности в водохранилищах России и сопредельных государств [33, 34, 35], показывает явное отсутствие связей трофических характеристик экосистемы с величиной водообмена (пример зависимости приведен на рисунке 5).

Рисунок 5 - Соотношение годовой первичной продукции (г С/м² год) в вегетационный период (мкг/л) с коэффициентом водообмена водохранилищ (год-¹) [11]

1.2.2 Гидрологические факторы. Колебания уровня воды в водохранилище

Из-за большого размаха уровней водохранилища в прибрежной полосе формируется зона периодического затопления и осушения, которую называют акватерриторией водохранилища. Таким образом, по периметру водохранилища имеется пространство переменной ширины и площади, которое периодически заливается водой. Особенно обширны такие мелководно-осушные зоны на равнинных водохранилищах, где они составляют существенную долю площади акватории при НПУ [36]. Эти зоны характеризуются особым типом трофических связей и, соответственно, особыми биоценозами. В литературе высказывается мнение, что активная вегетация синезеленых водорослей тесно связана с наличием прогретого мелководья. Установлено, что когда вода на мелководье прогревается синезеленые водоросли начинают всплывать с поверхности донных отложений [37]. Существенное значение для развития «цветения» на мелководьях может иметь также обеспечение поступления биогенных веществ в зону фотосинтеза в результате ветрового перемешивания. Биогенные вещества из донных отложений становаятся более доступными в результате увеличения доли мелководий в результате понижения уровня [38].

Колебания уровня воды в водохранилище в безледный, вегетационный период года ведут к изменению соотношения толщины и объема трофогенного (верхнего прогретого) и трофолитического (глубинного холодного) слоев экосистемы водохранилищ. Это изменяет степень окисления образующегося при фотосинтезе фитопланктона органического вещества, скорость его осаждения на дно и возврата в трофогенный слой регенирируемых при этом биогенных веществ.

Низкий уровень воды водохранилища может вызывать также некоторую перестройку структуры фитопланктонного сообщества. При аномально низком уровне воды в Можайском водохранилище существенно возросла доля эвгленовых водорослей в общей численности фитопланктона на русловой и пойменных станциях [39]. В этом же водохранилище отмечено доминирование в составе фитоценоза мелкоклеточных форм фитопланктона [32]. Исследование, проведенное на Куйбышевском водохранилище показали, что активное цветение воды самых токсичных родов цианобактерий Microsystis и Anabaena начинается еще в начале лета, когда уровень водохранилища находится на низкой отметке. Наоборот цветение этих родов фитопланктона практически отсутствует, если уровень близок к нормальному подпорному, зато при такой же погоде начинает развиваться значительно менее токсичный фитопланктон рода Aphanizomenon [38]. Чем больше колебания уровня воды в водохранилище, тем сильнее угнетается развитие высшей водной растительности. Летнее наполнение водохранилища, приводящее к затоплению наземной растительности и ее гниению, способствует увеличению дефицита растворенного в воде кислорода и заметному увеличению внутренней биогенной нагрузки водной экосистемы. В этом отношении увеличение полифазности колебаний уровня в водохранилищах многолетнего регулирования в летний период оказывает отрицательное влияние на продукционные процессы в водоеме. В целом ряде случаев обнаружилась тесная обратная связь биомассы фитопланктона с уровнем воды в водохранилище, которую можно объяснить следующим образом [40]. В жаркое сухое лето с низким уровнем, в водохранилище обычно выше температура придонного слоя воды. Вследствие этого, а также из-за малой глубины, складывается определенная цепь причинно-следственных связей. Более интенсивный удельный поток детрита в гиполимнион приводит к быстрому поглощению кислорода при разложении органического вещества. Возникновение резкого дефицита кислорода в придонных слоях стимулирует регенерацию биогенных веществ из донных отложений. В результате увеличивается внутренняя биогенная нагрузка. В этих условиях, на фоне малого притока биогенных веществ с водосбора, даже короткое штормовое перемешивание слоев приводит к быстрому обогащению прогретого эпилимниона биогенными веществами и наблюдается интенсивное развитие фитопланктона, иногда в виде резких вспышек цветения. В многоводные годы с высоким уровнем воды в водохранилище эти процессы протекают менее интенсивно и развитие фитопланктона происходит более плавно, его биомасса не достигает высоких величин.

1.2.3 Гидрофизические факторы. Динамика вод

Влияние гидродинамических процессов на жизнедеятельность фитопланктона неоднократно подтверждалось полевыми и лабораторными исследованиями [41, 42, 43], хотя это влияние на может быть противоположным: фотосинтез может интенсифицироваться или затухать. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что под действием перемешивания в фитопланктоне водохранилища может происходить следующее: [44]:

- растет скорость поглощения питательных веществ клеткой фитопланктона из водной среды;