Спуск волжской воды из водораздельного бьефа в р. Москву происходит по 4_километровому участку канала, на котором имеется 2 шлюза (№ 7 и № 8), опускающих воду на 36 м, и по специальному отводному каналу, берущему начало у шлюза № 7 и подающему воду к Сходненской ГЭС.

Рисунок 11 - Водохранилища водораздельного бьефа канала им. Москвы [236]

В отличие от гидрологического режима долинных водохранилищ, зависящего от физико-географических свойств водосбора, морфологических особенностей водоема и воздействия на него гидротехнических мероприятий, режим водохранилищ водораздельного бьефа практически полностью определяется перекачкой по каналу волжской воды из Иваньковского водохранилища. А она зависит от интенсивности ее потребления на нужды водоснабжения г. Москвы, судоходства и обводнение рек.

Главная гидродинамическая особенность водохранилищ водораздельного бьефа заключается в том, что почти во всех них, за исключением небольшого транзитного Икшинского, основной поток вод пересекает долины рек, послуживших ложем этих водохранилищ. Кроме того, в Пяловском и Пестовском водохранилищах имеются относительно обособленные заливы (Аксаковский и Тишковской). Таким образом, каждое из этих водохранилищ имеет свои отличительные черты, определяющие гидродинамические особенности перемещения вод в них:

- в Икшинском и Пестовском водохранилищах в верхней части долины приток обеспечивается перекачкой воды из канала им. Москвы;

- в Пестовском водохранилище потока раздваивается на питание канала и питание Учинского водохранилища;

- в Пяловском водохранилище основной приток (канал) пересекает долину примерно в центральной ее части, при этом даже небольшой санитарный сброс воды через плотину отсутствует, а верхняя часть долины водохранилища питается водами небольшого притока - р. Учи;

- Учинское водохранилище относится к типу сложнодолинных водохранилищ, так как образовано затоплением двух смежных речных долин - Учинская заблокирована глухой плотиной, а приток воды поступает через водосброс в долине р. Вязь;

- в Учинском водохранилище забор воды производят как в центральном плесе, так и в приплотинном плесе Акуловского гидроузла;

- Клязьминское водохранилище, также как и Пяловское, пересекается основным потоком канала в центральной части, при этом длинный приплотинный участок водохранилища (называемый нередко Пироговским водохранилищем) обеспечивает водозабор СВС и санитарный сброс воды через плотину в р. Клязьма.

Эти гидролого-морфометрические особенности водохранилищ водораздельного бьефа существенно усложняют гидродинамику вод, об особенностях которой в этих водохранилищах сведения практически отсутствуют (за исключением наиболее изученного Учинского) [237, 238].

Для оценки особенностей гидрологического режима водораздельного бьефа нами использованы данные расчетов декадных водных балансов водораздельного бьефа за период с 1984 по 2004 годы.

Водный баланс водораздельного бьефа канала рассчитывается по следующему уравнению (1):

W_В + W_Б - W_ПВ - W_С - W_Р - W_П = ДW, (1)

где W_В - объем перекачки волжской воды; W_Б - приток воды с примыкающего водосбора; W_ПВ - потребление воды на промышленное и питьевое водоснабжение; W_С - сброс воды во время пропуска судов через шлюзы № 6 и № 7; W_Р - потребление воды на санитарное обводнение рек; W_П - потери воды на фильтрацию и испарение, включающие в себя и погрешность расчета баланса; ДW - аккумуляция воды в водораздельном бьефе.

Интенсивность водообмена водоема за декадные периоды времени оценивалась его средним коэффициентом Кв по уравнению (2):

Кв = (W_ПР + W_СТ): (2W_ВЕ), (2)

где W_ПР - объем притока воды, W_СТ - объем оттока и водопотребления, W_ВЕ - средний объем водоема за рассматриваемую декаду. Месячная и годовая величина водообмена определялась как сумма декадных водообменов, соответственно, за месяц или за год.

Структура баланса за рассматриваемый период эксплуатации канала представлена в таблице 3.

Таблица 3 - Водный баланс водораздельного бьефа канала им.Москвы

Анализ годовых водных балансов водораздельного бьефа показал, что его водные ресурсы на 84-94% формируются из волжской воды. Накопленная вода расходуется преимущественно на водоснабжение г. Москвы (40-50%), санитарное обводнение рек Москвы, Яузы, Учи, Клязьмы (25-40%) и шлюзование судов (10-20%). Объем водозабора из Иваньковского водохранилища зависит как от естественных причин (водности года), так и от антропогенного фактора. Диапазон межгодовой изменчивости перекачки воды достигает 0,8 км³: от 1,8 км³ в 2004 г. до 2,6 км³ в 1996 г.

В маловодные годы заметно возрастает потребление воды на обводнение рек, увеличиваются, хотя и не столь значительно, затраты на водоснабжение г. Москвы и пригородов. В связи с этим растет объем перекачки по каналу и интенсивность водообмена водохранилищ. В многоводные годы в структуре водного баланса возрастает доля притока воды с водосбора водораздельного бьефа, что приводит к увеличению вероятности снижения качества воды его водохранилищ в результате большего поступления загрязняющих веществ с поверхностным стоком.

Гидрологический режим водораздельного бьефа в течение года определяется климатической сезонностью, потребностями водоснабжения потребителей, обводнения рек и судоходства. В таблице 4 приводится внутригодовое соотношение составляющих водного баланса бьефа (среднемесячные значения за период 1984-2004 гг.), а на рисунке 12 - их изменение в течение года.

Таблица 4 - Внутригодовое соотношение составляющих водного баланса водораздельного бьефа канала (среднее за 1984-2004 гг.)

Рисунок 12 - Изменения значений составляющих месячных водных балансов водораздельного бьефа в течение среднестатистического года

Наполнение водохранилищ после их зимней сработки обычно начинается в третьей декаде марта. Поступление волжской воды в этом месяце снижается с 68,4 до 61,6 м³/с. Это снижение компенсируется увеличением боковой приточности и понижением расхода воды на обводнение рек. Основное заполнение водохранилищ до отметок, близких к НПУ, происходит в апреле и приурочено к началу навигации. В это время, несмотря на максимальный приток воды с бокового водосбора (23,8 м³/с или 24% от приходной части баланса), перекачка волжской воды увеличивается до 75,2 м³/с. Около 30% поступившей в весенний период воды идет на пополнение водных ресурсов водораздельного бьефа. С ростом уровня и сходом льда резко возрастают потери воды на фильтрацию и испарение (до 9,8 м³/с).

С началом навигации в структуре водного баланса существенное место начинают занимать затраты воды на шлюзование. Зато расход воды на обводнение рек уменьшается до своего минимума - 17,0 м³/с, так как часть воды, необходимой для обводнения р. Москвы, компенсируется ее сбросом через шлюзы № 7 и № 8 во время пропуска судов (в среднем до 10,5 м³/с в апреле). Потребление волжской воды на промышленное и питьевое водоснабжение в весенний период стабильно и составляет 38,8 м³/с.

В течение навигационного периода с мая по октябрь уровень воды в водораздельном бьефе поддерживается близким к 162,0 м абс для поддержания глубин, обеспечивающих безопасный проход судов в судоходной части водораздельного бьефа. Перекачка волжской воды в это время достаточно стабильна и составляет 80-84 м³/с. Приток с бокового водосбора незначителен и не превышает 9% приходной части баланса. Потери воды на фильтрацию и испарение стабилизируются - 6-8 м³/с. Увеличиваются затраты воды на обводнение рек (до 20-22 м³/с) и шлюзование (до 22-25 м³/с), но и они достаточно стабильны в течение всех этих месяцев. Обращает на себя внимание лишь закономерное понижение потребления воды на водоснабжение с 37,4 м³/с в мае до 35,4 м³/с в июле-августе, а затем его рост до 38,0-38,5 м³/с в сентябре-октябре. По_видимому, это связано со снижением потребления воды населением во время летних отпусков и дачного сезона, и с его возрастанием после возвращения людей в города и начала учебного года.

В термическом отношении водохранилища водораздельного бьефа - полимиктические водоемы со слабо выраженным слоем скачка в непродолжительные периоды стратификации водной толщи. В связи с этим, резкий дефицит кислорода в придонных слоях для них не характерен.

В начале ноября начинается предзимняя сработка водохранилищ водораздельного бьефа. Расходы перекачки воды из Волги снижаются до 49 м³/с. Поступление с водосбора водных масс осенних паводков приводит к увеличению в структуре водного баланса доли боковой приточности. В ноябре более 20% потребляемой воды компенсируется водными ресурсами водораздельного бьефа. С понижением уровня воды в водохранилищах и наступлением ледостава потери воды на фильтрацию и испарение снижаются до 2_3 м³/с. Ледообразование зависит от режима работы насосных станций. Обычно ледостав на канале начинается только в конце декабря, а в теплые зимы часть канала бывает вообще свободна ото льда.

С окончанием навигации резко сокращаются затраты воды в системе шлюзов канала, что приводит практически к полному прекращению поступления воды в р. Москву через шлюзы № 7 и № 8. В результате этого потребление воды на обводнение рек увеличивается до 26 м³/с, главным образом в результате ее пропуска в р. Москву через Сходненскую ГЭС. К середине декабря предзимняя сработка обычно заканчивается, уровень воды в водохранилищах понижается до отметок минимального (ремонтного) зимнего уровня, равного 160,5 м абс. Потери воды на фильтрацию и испарение сокращаются до 1 м³/с, расходы на обводнение рек увеличиваются до 32 м³/с, потребление воды на промышленное и питьевое водоснабжение достигает 39 м³/с. Все это приводит к увеличению перекачки из Иваньковского водохранилища в декабре до 53,5 м³/с, хотя приток с водосбора в это время остается еще достаточно высоким - 7,5 м³/с. В многоводные годы с очень дождливой осенью водохранилища водораздельного бьефа полностью срабатываются лишь к концу декабря, как это было в 1990 и 2000 гг. Многоводный 2004 г. отличался тем, что в его конце уровень воды в судоходной части водораздельного бьефа находился на более высокой отметке 161,20 м абс.

В зимние месяцы гидрологический режим водохранилищ водораздельного бьефа достаточно стабилен. Все составляющие водного баланса в январе-феврале в среднем остаются практически неизменными при стабильном уровне воды. Перекачка воды из Волги составляет 67-68 м³/с, приток с водосбора - около 7 м³/с, промышленное и питьевое водоснабжение - 39 м³/с, обводнение рек - 34-35 м³/с, потери на фильтрацию - 1,5 м³/с.

Гидрохимический режим водохранилищ водораздельного бьефа в значительной мере определяется режимом и объемами перекачки воды из Иваньковского водохранилища. Тем не менее, в формировании внешней химической нагрузки на водохранилища существенный вклад вносит приток химических веществ с площади собственного водосбора водохранилищ, расположенного в густонаселенных районах Московской области и испытывающего значительные антропогенные нагрузки [239]. Материалы наблюдений за качеством воды в устьях боковых притоков и водохранилищах бьефа показывают, что большинство гидрохимических показателей: хлориды, нитраты, аммонийный азот, фосфаты, взвешенные вещества, органическое вещество и величина БПК₅, в воде притоков значительно превышают фоновые значения (таблица 5).

Таблица 5 - Средние концентрации показателей качества воды, мг/л, за период 1986-2001 гг. в притоках канала им. Москвы и в водохранилищах водораздельного бьефа [239]

Среди этих 6 характеристик состава воды, лишь показатель стойких органических соединений (оцениваемый по значениям перманганатной окисляемости) крайне слабо связан с хозяйственной освоенностью водосбора. Среднемноголетние концентрации химических веществ в притоках водораздельного бьефа существенно превышают и концентрации этих веществ в воде, перекачиваемой по каналу из Иваньковского водохранилища: по хлоридам - в 2,7-5,6 раз, аммонию - в 2,2-5,5 раз, нитратам - в 1,4-1,6 раз, фосфатам - в 3,2-9,5 раз, ПО - в 4-5 раз и БПК₅ - в 1,4-2,6 раз [239].

В период половодья приток веществ с боковыми притоками в систему водохранилищ водораздельного бьефа резко повышается, а по массе фосфатов и аммонийных ионов даже превосходит поступление этих двух химических веществ с волжскими водами. Соответственно, весной резко возрастает балансовый вклад притоков в формирование запаса химических веществ в водохранилищах водораздельного бьефа, а следовательно, и в увеличение их содержания в воде на выходе из системы водоисточника (у водозаборов станций в Учинском и Клязьминском водохранилищах). В летний период роль боковых притоков в химическом балансе водохранилищ снижается для всех рассмотренных показателей. В зимний период вследствие низких температур процессы самоочищения заторможены, поэтому влияние притоков на формирование качества воды водохранилищ водораздельного бьефа несколько выше, чем летом.

Трансформация химических показателей в водохранилищах водораздельного бьефа можно оценить с помощью коэффициента удержания K_Y (%) вещества в водоеме по уравнению 3:

водохранилище гидрологический метеорологический экосистема

, (3)

где R_V - масса вещества, поступившего в водоем, R_Y - масса того же вещества, ушедшая со стоком из него за расчетный период. В среднем за период 1988-1992 гг. для всего водораздельного бьефа значение годового коэффициента удержания составило для аммония 46%, нитратов - 18%, фосфатов - 41%, стойкого органического вещества - 19% [239]. Анализ среднегодовых величин цветности воды за 1938-1984 гг. показал, что при прохождении воды от Иваньковского плеса до водораздельного бьефа канала химические показатели качества воды практически не изменяют своих значений. В пределах водораздельного бьефа происходит снижение цветности воды в среднем на 8 град. при среднем начальном значении 64 град. [240]. Наибольшее снижение цветности и мутности воды характерно для половодья и летне-осенних поводков, когда происходит интенсивный смыв органических и взвешенных веществ с поверхности водосбора. В зимний период цветность воды в канале практически не меняется. Летом активируются процессы коагуляции и фотохимического окисления.

Статистический анализ многолетних (1957-2005 гг.) изменений химического состава воды (длина рядов наблюдений n = 569-576) также показал, что в водохранилищах водораздельного бьефа происходит заметное улучшение качества воды по большинству показателей, что обусловлено интенсивными внутриводоемными процессами самоочищения в экосистемах водохранилищ. В таблице 6 представлены результаты этих исследований для пунктов мониторинга на входе в канал («1 паромная переправа») и у водозаборов водопроводных станций на Учинском и Клязьминском водохранилищах.

Таблица 6 - Среднемноголетние концентрации, мг/л, и изменчивость показателей качества воды в канале им. Москвы и водохранилищах водораздельного бьефа [241]

Максимум такого типичного показателя антропогенного загрязнения как нефтепродукты наблюдался обычно в узком участке канала, соединяющей Пестовское и Пяловское водохранилища. Вероятность обнаружения в судоходной части канала нефтяных загрязнений очень велика, поскольку при интенсивном судоходстве самоочищение там протекает слабо. Аммонийный ион и фосфаты заметно снижаются к Учинскому водохранилищу и, особенно, в последнем. Концентрации консервативных хлоридов остаются на постоянном уровне, также как и жесткость воды. Снижаются по тракту водоисточника концентрации железа, марганца, уменьшается общее содержание органического вещества (по ХПК), но остаются почти неизменными нитриты, а нитраты даже несколько повышаются к водозаборам станций вследствие интенсивных окислительных процессов в водохранилищах.

Донные отложения водохранилищ представлены преимущественно мелкоалевритовыми серыми илами, но вблизи судового хода преобладают первичные грунты песчанистого типа. В настоящее время средняя толщина донных отложений в водохранилищах составляет около 30 см, максимальная толщина илов в глубоководных частях может достигать 60 см. Средняя скорость заиления водохранилищ не превышает 0,3 см/год, содержание органических веществ в донных отложениях - около 9±2% [242].

По степени развития фитопланктона водохранилища водораздельного бьефа относятся к мезотрофным водоемам. Наибольшее развитие фитопланктона наблюдается в Клязьминском, Пяловском и Пестовском водохранилищах, наименьшее - в Учинском и Икшинском, а также на входе в канал у 1_ой паромной переправы. Незначительное развитие фитопланктона в Учинском водохранилище объясняется некоторыми авторами [243] благотворным влиянием на качество воды вселения в этот водоем дрейссены. Величина валовой продукции фитопланктона за вегетационный сезон (40 г С/м² [218]) близка к нижней границе значений, соответствующих мезотрофным озерам. Для функционирования экосистемы Учинского водохранилища важное значение имеют также макрофиты, которые занимают около 7,5% площади дна.

Среднемноголетние значения биомассы фитопланктона в водохранилищах колеблются от 1,03 мг/л (в Икшинском) до 3,16 мг/л (в Клязьминском), что существенно меньше, чем в водохранилищах Москворецкой системы водоснабжения, в которых эта величина может достигать 10 мг/л (Озернинское водохранилище). Основную часть биомассы фитопланктона составляют диатомовые водоросли (82%). Синезеленые водоросли не являются доминирующими по биомассе (всего 7%), но по численности клеток они преобладают - 53% от средней общей численности фитопланктона водохранилищ. Сезонные изменения развития фитопланктона в водохранилищах характеризуются двумя пиками: весенний диатомовый и менее значимый летне-осенний смешанный. Исключение составляет лишь Учинское водохранилище, в котором летне-осенний пик выражен крайне слабо. Сезонные изменения фитопланктона в районе 1_ой паромной переправы соответствуют их изменениям в приплотинном плесе Иваньковского водохранилища.

Зоопланктон водохранилищ водораздельного бьефа представляют три основные группы: коловратки, кладоцеры и копеподы. Информация по ним крайне немногочисленна и относится преимущественно к периоду после 2000 года. Максимум численности зоопланктона в водохранилищах приходится на июнь-июль и составляет от 5 до 32 тыс. экз/м³, хотя в отдельные годы может достигать значительно больших значений.

2.3 Гидроэкологическое состояние водохранилищ Москворецкого источника водоснабжения

В состав Москворецко-Вазузской водохозяйственной системы (схема представлена на рисунке 13) в настоящее время входят четыре основных водохранилища: Можайское, Истринское, Озернинское, Рузское, два вспомогательных - Рублевское, созданное для обеспечения подачи воды на Рублевскую и Западную водопроводные станции, и Колочское, созданное для сбора стока с водосбора р. Колочь и предотвращения затопления территории государственного музея-заповедника «Бородинское поле», и три резервных водохранилища: Вазузское, Яузское и Верхнерузское.

Рисунок 13 - Водохранилища Москворецкого источника водоснабжения

Все водохранилища Москворецкого водоисточника долинного типа, расположены в верховьях гидрографической сети и выполняют (исключая Рублевское) многолетнее глубокое внутригодовое регулирование р. Москвы и ее притоков - рек Истры, Рузы и Озерны. Поэтому им присущи большие и нерегулярные колебания уровня воды и проточности. Эти колебания обусловлены внутригодовой и межгодовой изменчивостью притока воды с их водосборов и режимом сбросов воды в нижний бьеф с целью обеспечения стабильной работы водопроводных станций, а также, в многоводные половодья, промывок русла Москва_реки от илистых отложений. По степени морфологической сложности Можайское и Рузское водохранилища относятся к простым долинным водохранилищам с невысокой долей мелководий, не превышающей 17% всей площади акватории при НПУ. Озернинское и Истринское - морфологически сложные водохранилища с многочисленными крупными заливами, очень высокой извилистостью берегов и расчлененностью акватории на отдельные плесы. Доля мелководий в них достигает 27-30%. Эти морфологические особенности водоемов сильно влияют на два важнейших фактора:

- динамику их водных масс,

- структуру биоценозов,

определяющих особенности преобразования в четырех москворецких водохранилищах химического состава речных вод и формирования качества воды.

Особенность Москворецкого источника водоснабжения в том, что в формировании качества воды у водозаборов водопроводных станций, расположенных на Рублевском водохранилище, существенную роль играют антропогенные загрязнения, поступающие в р. Москву на ее участке ниже Можайского водохранилища общей протяженностью около 150 км. При сравнительно небольшом времени добегания воды до водозаборов даже кратковременные сбросы загрязнений в р. Москву и ее притоки могут существенно ухудшить качество воды у водозаборов. Особенно возрастает влияние этого фактора формирования качества воды в период половодья, когда время добегания сокращается, а вероятность интенсивного смыва загрязнений с водосбора в русловую сеть увеличивается. В связи с этим, работа станций водозабора в Москворецком источнике связана с нестационарным характером изменения характеристик качества воды в притоках реки, впадающих ниже водохранилищ, в том числе под влиянием аварийных сбросов сточных вод. Максимальная изменчивость характерна для мутности воды и бактериального загрязнения.

Режим расходов рек москворецкого бассейна, обеспечивающий наполнение водохранилищ, определяется в целом четко выраженным весенним половодьем, низкой летней меженью, прерываемой дождевыми паводками, и продолжительной зимней меженью. В меженный период сток с неконтролируемой водохранилищами площади водосбора, как правило, низкий, и определяющую роль в поддержании у водозаборов Западной и Рублевской водопроводных станций требуемых расходов воды 49-51 м³/с в этот период играют попуски из водохранилищ.

Водный баланс Москворецкой системы водоснабжения после подключения к ней резервных водохранилищ Вазузской гидротехнической системы до настоящего времени не оценивался. Средний многолетний объем переброски стока из бассейна р. Вазузы в бассейн р. Москвы за 20 лет эксплуатации составил 0,2 км³/год, максимальный - 0,45 км³/год [244]. Степень воздействия такой переброски на качество воды в Рузском водохранилище и у водозаборов москворецкого водоисточника также не исследовалась. В структуре водного баланса основных водохранилищ системы приток воды с водосбора составляет около 92%, оставшуюся часть поступления воды дают осадки на водную поверхность - 7% и возврат воды после затопления осевшего на берегах льда [226]. Аналогичное соотношение имеет место и в расходной части баланса между сбросом воды в нижний бьеф, испарением и потерями с осевшим на берегах льдом. Средний слой испарения с поверхности водоемов 450-500 мм/год. Поскольку все водохранилища Москворецкой системы - водоемы многолетнего регулирования речного стока, они имеют очень замедленный водообмен (см. таблицу 2) и невысокие значения среднего показателя проточности: в Озернинском и Истринском водохранилищах - 61-66 м/сут, в Можайском и Рузском - 105-107 м/сут. Скорости стоковых течений не превышают 1-2 см/с. Ветровые течения непродолжительны и ограничены пределами отдельных плесов. При средней скорости ветра 3-5 м/с их скорость обычно не превышает 10 см/с. Летом и зимой хорошо выражен слой температурного скачка. Благодаря замедленному водообмену и относительной глубоководности в москворецких водохранилищах периодически возникают плотностные течения.

В зависимости от сезона года прозрачность воды в водохранилищах колеблется в пределах 0,3-5,0 м. Весной из-за повышенных концентраций аллохтонных взвесей и цветения диатомовых водорослей она составляет 0,5-1,3 м, в начале лета, в связи с окончанием цветения и после осаждения взвесей, она увеличивается до 3-4 м, наступает так называемая «фаза чистой воды», обусловленная фильтрационной активностью дафний. С массовым развитием летнего фитопланктона прозрачность воды снижается до минимальных значений, осенью вновь увеличивается в результате его отмирания и осаждения.

Москворецкие водохранилища обладают большим отстойным эффектом, аккумулируя до 90% взвешенных веществ. Тем не менее, средняя скорость их заиления не превышает 0,5 см/год. Донные отложения представлены в основном мелкоалевритовыми песчанистыми серыми и серыми илами (фракции с диаметром < 0,01 мм составляют около 50%) с содержанием органического вещества 6-8%.

Вода во всех водохранилищах карбонатного класса кальциевой группы переходного (I-II) типа (гидрохимическая фация HCO₃-Ca-Mg) с минерализацией от 90 мг/л весной до 530 мг/л в зимний период. Средняя минерализация воды, сбрасываемой в нижний бьеф водохранилищ, 200-290 мг/л. Содержание органических веществ в воде сравнительно невелико: бихроматная окисляемость, как правило, не превышает 40 мг О/л, перманганатная окисляемость - 12 мг О/л, цветность - 100 град. Их среднегодовые значения составляют, соответственно, 11-22 мг О/л, 6,5-9,0 мг О/л и 17-38 град [242].

Для внутригодовых колебаний концентраций биогенных элементов характерны зимне_весенний максимум и летний минимум. Содержание общего фосфора во всех водохранилищах изменяется в пределах 0,01-0,64 мг/л, минерального фосфора - от 0,01 до 0,54 мг/л. Основная часть микроэлементов содержится в пределах их концентраций в атмосферных и грунтовых водах водосборных бассейнов.

Внутригодовой режим растворенного в воде кислорода определяется особенностями гидродинамических и продукционно-деструкционных процессов в водохранилищах. Весной во время изотермии его содержание составляет 75-95% насыщения от поверхности до дна. Летом в эпилимнионе до глубины 6-8 м содержание кислорода постоянно высокое (> 70%). В поверхностном слое при интенсивном фотосинтезе фитопланктона его содержание в отдельные дни может превышать 200% насыщения. В гиполимнионе с момента его образования начинается быстрое уменьшение содержания кислорода со скоростью, достигающей 400-500 мг/(м³сут). Максимальные вертикальные градиенты снижения концентрации кислорода обычно совпадают со слоем температурного скачка. В конце лета в пробах воды из придонных горизонтов средней и нижней части водохранилищ нередко отмечается запах сероводорода. Размеры летних зон аноксии, которые наблюдаются практически ежегодно, изменяются в зависимости от гидрометеорологических условий года. Осеннее перемешивание приводит к выравниванию содержания растворенного кислорода по глубине и повышению его концентрации от 60-70% до 90-95% насыщения в момент замерзания водохранилищ. Зимой вновь образуется кислородная стратификация. К концу зимы в подледном горизонте содержание кислорода уменьшается до 50-70%, а в придонных слоях глубоководных участков - менее 10% насыщения.

Все четыре москворецких водохранилища - слабо эвтрофные водоемы. В них регулярно наблюдается цветение воды в течение 1,5-2 летних месяцев, достигающее в отдельные годы высокой степени интенсивности - более 10 мг/л. Валовая продукция фитопланктона за вегетационный период колеблется в широких пределах 90-410 г С/м². Средняя концентрация хлорофилла в поверхностном слое воды в летние месяцы находится в пределах 13-67 мкг/л. Для всех водохранилищ характерна сезонная сукцессия планктонного сообщества, детально прослеженная на Можайском водохранилище, где в течение ряда лет проводились еженедельные наблюдения [245]. Эти исследования выявили четко выраженные и ежегодно повторяющиеся внутрисезонные изменения экологического состояния планктона, характерные для мезотрофных и эвтрофных озер умеренных широт.

В развитии фитопланктона ежегодно наблюдается весенний пик (до 2,6 мг/л) диатомовых мелкоклеточных водорослей с преобладанием Stephanodiscus hantzschii. За ним всегда следует высокий раннелетний пик зоопланктона (до 7-9 мг/л). Увеличение биомассы зоопланктона связано с доминирующим видом кладоцер-фильтраторов - крупной Daphnia galeata, хотя в большинстве случаев доминируют все же несколько более мелкие виды ветвистоусых рачков. Пик численности дафний всегда совпадает с минимумом (менее 0,1 мг/л) биомассы фитопланктона. В июле-сентябре обычно наблюдается развитие колониальных и крупноклеточных форм фитопланктона - цианобактерий Aphanizomenon flosaquae, Anabaena flosaquae, Microcystis. В 80-90_х годах прошлого века в Можайском водохранилище наблюдались мощные вспышки цветения пирофитовых водорослей Ceratium hirundinella - до 18-24 мг/л. При этом биомасса зоопланктона невысока (1-2 мг/л). В конце цветения или после его окончания иногда наблюдается незначительный подъем численности зоопланктона и увеличение его биомассы. Биомасса бентоса в водохранилищах достаточно стабильна и составляет в среднем 3-5 г/м².

Выводы раздела

- Режим качества воды у водозаборов водопроводных станции двух систем водоснабжения г. Москвы существенно различается. Для водозаборов из волжского источника характерны медленные сезонные изменения показателей качества воды, отражающие трансформацию речного стока в системах водохранилищ. Работа водопроводных станций Москворецко-Вазузского источника связана с нестационарным изменением качества воды (природным и влиянием аварийных сбросов сточных вод в притоках реки ниже водохранилищ-регуляторов стока с вышележащещей части водосбора).

- Гидрохимический режим водохранилищ водораздельного бьефа канала им. Москвы определяется режимом и объемами перекачки воды из Иваньковского водохранилища, а по степени развития фитопланктона их экосистемы относятся к мезотрофным водоемам.

- Все водохранилища Москворецкого водоисточника долинного типа, расположены в верховьях гидрографической сети и выполняют (исключая Рублевское) многолетнее глубокое внутригодовое регулирование р. Москвы и ее притоков - рек Истры, Рузы и Озерны. Эти водохранилища - слабоэвтрофные водоемы с регулярным цветением фитопланктона в летний период с биомассой, превышающей в пике цветения 10 мг/л.

3. ОЦЕНКА ЗНАЧИМОСТИ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОДУКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ

Представленный в разделе 1 настоящего отчета обзор предшествующих гидроэкологических исследований включает максимально широкий круг факторов продуктивности фитопланктона. Эти факторы по_разному проявляются в конкретных водоемах, поэтому существенно различается их значимость в процессе продуцирования органического вещества фитопланктоном. В исследовании продукционных характеристик водохранилищ - источников водоснабжения г. Москвы целесообразно проанализировать особенности действия рассмотренных факторов с учетом гидроэкологических особенностей водохранилищ как Волжской и Москворецкой систем, так и отдельных водохранилищ, изложенных в разделе 2. Рассмотрим особенности факторов последовательно в соответствие со схемой, представленной на рисунке 3.

Географические факторы

Климат и погодные условия. Для расположенных в одной климатической зоне водохранилищ погодные условия будут одинаково влиять на продукционные процессы в экосистемах и, соответственно, значимость этого фактора всегда одинакова для всех рассматриваемых водохранилищ водоснабжения г. Москвы.

Ландшафт водосбора. Физико-географические характеристики водосборов Москворецкой системы существенно отличаются от характеристик Волжской системы. Формирование химического стока водохранилищ Волжской системы происходит на обширном водосборе Верхней Волги, характеризующемся высокой залесенностью и заболоченностью. Гидрохимическое следствие этой особенности водосбора - высокое содержание органического вещества гумусовой природы и высокая цветность вод, характерная для всех водохранилищ волжского водоисточника. Связанное с повышенной цветностью снижение прозрачности вод волжских водохранилищ по сравнению с москворецкими снижает потенциал продукционных процессов в водохранилищах Волжской системы и для этого фактора можно отметить определенные различия в рассматриваемых водохранилищах.

Антропогенное воздействие. Главные различия этого фактора в двух системах водоснабжения связаны с режимом регулирования стока водохранилищами. Москворецкие водохранилища осуществляют многолетнее регулирование стока, в то время как водохранилища водораздельного бьефа Волжской системы заполняются перекачкой воды из Иваньковского водохранилища и не регулируют сток. Следствием этих различий служат:

- сильное различие в межгодовых и внутригодовых колебаниях уровня воды водохранилищ.

- Различие ежегодного наполнения полезного объема водохранилищ. В москворецких водохранилищах он наполняется водами питающих их незарегулированных рек, характеризующихся природной неравномерностью режима стока. Водохранилища канала им. Москвы (КИМ) имеют сопряженный бьеф, и колебания притока в них трансформированной в Иваньковском водохранилище волжской воды практически отсутствуют.

- Для москворецких водохранилищ важное значение имеет селективность сброса воды из водохранилища гидроузлом. В водохранилищах волжского водоисточника это явление у водозаборных сооружений Мосводопровода не наблюдается.

Другой аспект антропогенного воздействия - загрязнение водохранилищ в результате сброса сточных вод и рекреационного использования в этих двух системах примерно одинаков. Можно отметить несколько более интенсивное сельскохозяйственное использование земель водосбора Истринского водохранилища по сравнению с другими водохранилищами москворецкой системы.

Форма ложа водохранилища. Все водохранилища как Москворецкой, так и Волжской систем имеют среднюю глубину 3-7 м, максимальную 12-23 м, поэтому различия этого фактора невелики. Однако влияние формы ложа водохранилищ москворецкой системы на внутриводоемные процессы выявляется при сравнении морфологически простых Можайского и Рузского водохранилищ с морфологически сложными - Озернинским и Истринским. Последние отличаются более крупными заливами в приустьевых участках притоков. Эти различия двух типов водохранилищ наиболее ярко отражают значения коэффициентов разветвленности и расчлененности акватории - в первых площадь заливов 6-7%, во вторых она достигает четверти акватории. Поэтому в Истринском и Озернинском водохранилищах больше пространственная неоднородность состава воды. Речные водные массы, заполняющие заливы, медленнее выдвигаются в центральные районы, где при их смешении формируется более однородная по физическим, химическими и биологическим характеристиками основная водная масс водохранилищ. В 1,5-2 раза меньше и коэффициент их удлиненности, благодаря чему в них менее часто возникают крупные продольные ветровые сгоны-нагоны и приплотинные апвеллинги (очаги вспышек цветения), чем в Можайском и Рузском водохранилищах.

Кроме того, из_за большей защищенности мелководий от ветроволнового воздействия в заливах морфологически сложных водохранилищ лучше условия произрастания высшей водной растительности. В них возможно было бы формирование богатейших подводных лугов, обладающих наивысшей способностью к самоочищению экосистемы, если бы в верхних районах Озернинского и Истринского водохранилищ и в их крупнейших заливах стабилизировать уровенный режим.

Типы абиотических факторов

Гидрологические факторы. Внешний водообмен. Различия в режиме регулирования водохранилищ москворецкой и волжской систем проявляются в интенсивности внешнего водообмена. В москворецких водохранилищах коэффициент водообмена не превышает 2 год-¹ (с небольшим колебаниями), в водохранилищах водораздельного бьефа он колеблется от 6 до 50 год-¹ (минимальное значение в Учинском водохранилище, максимальное - в Икшинском). Однако, как было показано в разделе 1, этот фактор не имеет принципиального значения для величины годовой продукции фитопланктона в водоеме.

Колебания уровня. В Москворецких водохранилищах колебания уровня - один из важнейших факторов, определяющих различия продукционных процессов в различные годы в соответствии с механизмами влияния колебаний уровня, описанных в разделе 1. В Волжских водохранилищах постоянство уровня в течение всего вегетационного периода позволяет считать этот фактор практически незначимым.

Гидрофизические факторы. Динамика вод. Значительных различий по этому фактору в рассматриваемых водохранилищах не наблюдается, так как он в наибольшей степени зависит от погодных условий, которые одинаковы для всех водохранилищ. Динамические факторы имеют важнейшее значение для короткопериодных (синоптических) колебаний продукционных процессов. По данным наблюдений и моделирования, в Можайском водохранилище пространственная структура ветровых течений имеет важное экологическое значение, поскольку апвеллинги и даунвеллинги служат центрами интенсификации продукционно_деструкционных и других процессов самоочищения и формирования биопродуктивности экосистемы в слабопроточных москворецких водохранилищах. Эти же явления имеют место и в водохранилищах КИМ, но в существенно меньшей мере.

Термическая структура вод. Для московорецких водохранилищ характерна вертикальная термическая стратификация в течение всего вегетационного периода, а в водохранилищах КИМ это явление синоптически временное (за исключением Учинского водохранилища, в котором, однако, слой температурного скачка располагается глубоко).

Роль термодинамических процессов в развитии фитопланктона москворецких водохранилищ можно проиллюстрировать на примере Можайского водохранилища. Важнейшую роль в продукционных процессов в его приплотинном районе играет ранневесеннее конвективное перемешивание слоев зимних водных масс - основной, речной и донной. Они вытесняются сюда весенней речной водной массой из верхнего и центрального районов еще под всплывающим при наполнении водоема покровом льда. После завершения здесь таяния льда, начинается быстрый прогрев верхних слоев воды поглощаемым ими солнечным светом, усиливающийся турбулентным теплообменом воды с более нагретым над ней воздухом. С ростом температуры верхнего слоя воды увеличивается ее плотность и гравитационная неустойчивость, возбуждающая конвективное перемешивание. Оно день за днем охватывает все более глубокие слои, над которыми быстро растет толщина полностью перемешанного верхнего слоя. Интенсификации этого процесса способствует ветроволновое перемешивание, энергия которого в конвективно перемешанном водном слое может распространяться до его нижней границы. По мере того как, с одной стороны, растет глубина наполняющегося водохранилища и, с другой стороны, вовлекаются в перемешивание все более минерализованные глубинные слои водных масс, энергия перемешивания все более гасится внутренним трением. Поэтому в одни вёсны, когда медленно растет уровень или из_за зимних оттепелей сравнительно невелика минерализация речных вод предшествующего водохозяйственного года, ранневесенняя вертикальная циркуляция воды достигает дна. Она насыщает всю водную толщу хорошо растворяющимся в холодной воде атмосферным кислородом и выносит из придонных слоев к поверхности накопившиеся в них за зиму продукты деструкции органических веществ - СО₂ и минеральные биогенные вещества. Таким образом, диатомовые водоросли в начале весенней вспышки своего развития в приплотинном районе обеспечиваются питанием, в первую очередь за счет внутренней биогенной нагрузки.

Гидрохимические факторы. Внешняя биогенная нагрузка. В москворецких водохранилищах природный режим речного притока приводит к формированию сложной гидрологической структуры водохранилищ, определяющей неоднородность пространственно-временного распределения биогенных веществ в водохранилищах и запаса главного биогенного элемента - фосфора.

При исследованиях процесса эвтрофирования Можайского водохранилища показано, что важнейшее значение для развития фитопланктона в вегетационный период играет запас фосфора в водной массе водохранилища, сформировавшийся в его весеннее наполнение. Для установления подобной связи можно воспользоваться и концентрациями минерального фосфора, поскольку в момент наполнения водохранилища биологические процессы еще недостаточно активны и значения концентраций ортофосфатов дают представление об общем запасе фосфора в водохранилище в предвегетационный период. Для москворецких водохранилищ эта связь показана на рисунке 14.

Рисунок 14 - Зависимость численности фитопланктона в москворецких водохранилищах в августе от средней концентрации фосфатов в них в апреле

В водохранилищах КИМ водная масса в течение всего вегетационного периода относительно однородна, что определяет отсутствие в них резких вспышек продукционной активности фитопланктона.

Внутренняя биогенная нагрузка. Этот фактор имеет существенное значение как для москворецких, так и для водохранилищ КИМ. Интенсивность обменных процессов на границе вода - донные отложения в рассматриваемых водохранилищах за годы их существования заметно возросла. Главные причины этих изменений - увеличение первичной продуктивности водоема и изменение кислородного режима водохранилищ. Первая из этих причин проявилась в возрастании содержания органических веществ в донных отложениях и обогащении илов и поровых растворов подвижными минеральными формами фосфора при их деструкции. Вторая причина связана с участившимся возникновением анаэробных условий в придонных слоях водохранилищ, и как следствие, возрастания потоков фосфора из донных отложений в анаэробных условиях при изменении окислительно-восстановительного потенциала среды. При экспериментальных наблюдениях в 1970_х годах в придонных слоях водохранилищ анаэробные условия отмечались крайне редко, в наблюдениях конца 1990_х годов придонный дефицит кислорода отмечался почти во всех водохранилищах, включая и проточные Волжского водоисточника.

Возникновение кислородных дефицитов в придонных слоях водохранилищ зависит не только от роста продуктивности водоемов, но и от вертикального перемешивания водных масс. В летний период оно тесно связано с изменяющимися синоптическими ситуациями. В результате величина потока фосфора из донных отложений заметно изменяется при различных погодных условиях. Наблюдениями на Можайском водохранилище показано, что в холодное и дождливое лето при преобладании циклонической погоды следует ожидать ослабления регенерации и накопления фосфора в донных отложениях, а в жаркое лето - заметного повышения внутренней фосфорной нагрузки.

Прямые абиотические факторы

Все прямые абиотические факторы имеют первостепенную и одинаковую значимость для развития продукционных процессов в водохранилищах - источниках водоснабжения г. Москвы.

Роль как светового, так и температурного фактора наиболее важна в короткопериодных колебаниях в развитии фитопланктона и появлении так называемых вспышек цветения. Статистический анализ колебаний температуры поверхности воды в центральном районе Можайского водохранилища за 49 лет его существования показывает, что ежегодно в течение трех летних месяцев бывает в среднем 5 случаев антициклонической погоды продолжительностью не менее 3 суток, когда возможны вспышки цветения водохранилищ и ухудшение качества воды.

Также одинаковое значение для первичной продукции всех водохранилищ имеет и биогенное питание. В рассматриваемых водохранилищах острого лимитирования продукционных процессов по биогенным веществам не отмечалось. Также практически не исследованным остается вопрос о влиянии на структуру видового состава водорослей и интенсивность их развития в водоеме соотношений в воде N и Р. В планируемом диагностическом исследовании развития продукционных процессов в водохранилищах - источниках водоснабжения г. Москвы этим вопросам будет уделено специальное внимание.

Биотические факторы

Эти факторы по своей природе мало различаются в водоемах, где проявляется типичный для всей географической зоны характер внутрисезонной сукцессии фитопланктона, поэтому их значимость одинакова в рассматриваемых водохранилищах. Один чисто биотический фактор продуктивности, не получивший до сих пор объяснения, заслуживает быть отмеченным. В Можайском водохранилище вместо обычного для других водохранилищ доминирования цианобактерий в летний период в отдельные годы их сменяют пирофитовые водоросли [245].

Факторы конкуренции. Наибольший интерес в рассматриваемых водохранилищах имеет изучение вопроса о взаимодействии фитопланктона с высшей водной растительностью. Как отмечалось в разделе 1, в этом вопросе важнейшее значение имеет плотность зарослей макрофитов. В относительно глубоких москворецких водохранилищах пояс макрофитов занимает небольшие площади, поэтому роль этого фактора, по_видимому, невелика. Специальное исследование влияния макрофитов на развитие фитопланктона было проведено в Можайском водохранилище. В результате установлено, что фитопланктон в целом по сравнению с зарослями исследуемых видов макрофитов наиболее физиологически активен в открытой части водоема. Это подтверждается характером взаимоотношений между погруженными макрофитами и фитопланктоном, установленным по структурным характеристикам [246].

Особое значение имеет этот вопрос для Учинского водохранилища в Волжской системе водоснабжения, в котором были осуществлены целенаправленные посадки риса дальневосточного с целью повлиять на развитие фитопланктона [247]. Однако, до настоящего времени исследованиями не выявлено значимого ...