Глава 2. Особенности абиотических элементов экосистем озер и
advertisement
2. Особенности абиотических элементов экосистем озер и водохранилищ Примерно до 70-х годов XX столетия в лимнологических исследованиях не уделялось серьезного внимания принципиальным различиям между водохранилищами и озерами. Достаточно отметить, что классик современной лимнологии Д.Хатчинсон относил водохранилища к одному из типов озер [Хатчинсон, 1963]. Рост количества водохранилищ в мире в середине столетия, актуальность оценки их экологического состояния в связи с задачей сохранения высокого качества воды в источниках хозяйственного водоснабжения стимулировали углубленные лимнологические исследования этих водных объектов. В результате этих исследований были установлены существенные различия в функционировании экосистем водохранилищ по сравнению с экосистемами озер [Ryder, 1978, Straskraba, 1993, Thornton, 1984, Thornton et al. 1990]. Причиной этих различий выступают, главным образом, абиотические компоненты экосистем. И хотя процессы, определяющие круговорот вещества и энергии в озерах и водохранилищах, имеют одинаковую природу, их пространственно-временная изменчивость и интенсивность могут существенно варьировать в зависимости от особенностей этих водных объектов. Любой конкретный водоем обладает индивидуальными особенностями, которые могут не охватывать всего многообразия процессов, встречающихся, а часто и доминирующих в данном типе водного объекта. При сравнении озер и водохранилищ важно показать, что тот или иной процесс, тот или иной фактор чаще наблюдается в данном водном объекте, по сравнению с другим. Иначе говоря, средние значения характеристик, оказывающих влияние на функционирование экосистем этих типов внутренних водоемов, имеют существенные различия. Теоретически бесконечное разнообразие абиотических элементов экосистем водоемов суши обусловлено сочетанием трех основных факторов: географо- гидрографическим положением водоема, формой и размером его чаши и антропогенным воздействием. Взаимодействие этих трех главных факторов определяет гидрологический режим водоема с его водной, радиационно-термической, седиментологической и гидрохимической составляющими. Взаимосвязь перечисленных факторов с отдельными элементами гидролого-гидрохимического режима может быть представлена в виде схемы, показанной на рис.2.1. 57 Географогидрографическое положение водоемае Антропогенное воздействие На водоем и его водосбор Физико-географические и геологические характеристики водосбора Климат Донные отложения. Режим взвешенных веществ Радиационный и термический режим Химический состав донных отложений Форма и размеры чаши водоема Структура водного . баланса Водообмен Гидрохимический режим водных масс Колебания уровня и водообмена водоема Плотностная стратификация водной толщи Развитие береговой линии Гидрологическая структура в разные Сезоны годового цикла Экосистема водоема Рис.2.1. Факторы, определяющие функционирование экосистем водоемов. Эта схема одинаково применима как к озерам, так и к водохранилищам. Исключение составляет выделенная на схеме связь антропогенного воздействия и гидрологического режима водохранилищ. Для озер, если не считать сравнительно незначительного влияния отбора воды и сброса сточных вод на гидрологический режим озера, это воздействие практически отсутствует. Для водохранилищ, как объектов, создающихся с целью регулирования стока, управление водным режимом имеет принципиальное значение в формировании гидрологического режима и функционирования экосистемы. Каждый из этих факторов по разному проявляется в озерах и водохранилищах. Их сложная комбинация приводит к формированию существенных особенностей 58 абиотических элементов экосистем и, тем самым, особенностей их функционирования в этих двух классах сравниваемых водных объектах – озерах и водохранилищах. Учитывая, что важнейшей характеристикой любой экосистемы выступает ее первичная продуктивность, комплекс представленных на схеме факторов целесообразно разделить на группы внешних влияний, прямо или косвенно определяющих процессы первичного продуцирования органического вещества в водоеме. К таким группам мы относим энергетические 1) факторы (поглощенная экосистемой солнечная радиация, температура воды), гидролого-морфологические 2) (гидрологический режим и морфометрические характеристики водоема), гидрохимические (биогенное питание фитопланктона). 3) Факторы первой из этих групп характеризуются ярко выраженной географической зональностью и внутригодовой изменчивостью. Влияние гидрологического режима и размеров водоема на продуктивность опосредовано большим числом динамических и термических процессов, поэтому его роль возможно выделить в чистом виде лишь путем математического моделирования функционирования экосистем. Гидрохимические и, особенно, морфологические факторы – азональны и должны рассматриваться вне зависимости от географического местоположения водоема. Проведенные по данным наблюдений на водоемах мира оценки продуктивности континентальных водоемов показывают ведущую роль энергетических факторов, которые определяют более 70% изменчивости величин продуктивности озер и водохранилищ мира [Brylinsky, Mann, 1973]. Поэтому вполне правомерно говорить о зональности продуктивности водоемов. Это, в свою очередь, определяет необходимость различных подходов к оценкам трофического состояния и процесса эвтрофирования водоемов, расположенных в различных географических зонах. При сравнении озер и водохранилищ чрезвычайно важное значение имеет генетическое разнообразие этих объектов. Широкое разнообразие озер земного шара обусловлено происхождением озерных котловин, с которым тесно связаны их размеры и форма, а, следовательно, и определенные черты режима. По известной классификации М.А.Первухина [1937], все озера подразделяются на плотинные и котловинные. В количественном отношении явно преобладают котловинные озера. Среди котловинных озер наиболее многочисленны озера ледникового происхождения, которые в свою очередь подразделяются на эрозионные и аккумулятивные. К областям крупных сдвигов земной коры обычно приурочены озера тектонического происхождения, среди которых глубочайшие озера мира – Байкал и Танганьика. Водно-эрозионные и водно- 59 аккумулятивные озера преобладают в долинах и дельтах рек, вблизи морских побережий. Провальные и вулканические озера сравнительно немногочисленны. Даже приблизительное количество озер на земном шаре определить практически невозможно. По известным оценкам Р.Ветцеля [Wetzel, 1975], всего в мире примерно 10 млн. озер, занимающих около 1% земной поверхности [Herdendorf, 1990]. Однако, не вызывает сомнения, что самая многочисленная группа озер – озера ледникового происхождения. В Швеции среди десятков тысяч озер – около 97% - озера ледникового происхождения. Такое соотношение характерно и для Севера США, Финляндии, Карелии – тех мест, где прошло оледенение. Наиболее полный современный банк данных об озерах мира, включающий более 40 тыс. озер различных континентов, собран С.В.Рянжиным [Рянжин, Ульянова, 2000]. Разнообразие типов водохранилищ значительно меньше, поскольку их генезис, в большинстве случаев, определяется возведением плотины в долине реки. В основу наиболее обоснованной К.К.Эдельштейном [1991] и строгой классификации водохранилищ, предложенной положен тот же принцип, что и для озер. Согласно этой классификации все водохранилища подразделяются на три типа: долинные, котловинные и смешанные. По самому обширному из опубликованных перечней водохранилищ мира [Авакян и др., 1987] 75% всех водохранилищ относятся к долинному типу. Именно эти водохранилища мы будем рассматривать при сравнении особенностей экосистем озер и водохранилищ. Преобладающие среди котловинных водохранилищ озерно-котловинные водохранилища образуются при сооружении гидроузла в истоке реки, вытекающей из озера, и по сравниваемым характеристикам очень близки к озерам. С генезисом озер тесно связан их возраст, имеющий определяющее значение в формировании и функционировании экосистемы не только на протяжении веков, но и в настоящее время. Возраст озер определяется геологическими периодами времени, даже самые молодые озера насчитывают десятки тысяч лет (если не принимать во внимание возникающие в эрозионных котловинах речных долин небольшие озера и термокарстовые тундровые озера). Водохранилища - молодые водоемы. Хотя известны водохранилища, построенные еще в древнейшие времена [Biswas, 1975], интенсивное строительство водохранилищ началось в ХХ веке и лишь к середине столетия эти водные объекты стали обычным элементом большинства природных ландшафтов. Наиболее интенсивное строительство водохранилищ во всех странах наблюдалось в период между 1950 и 1970 годами. Для иллюстрации можно привести графики увеличения количества водохранилищ в индустриально развитых Сев. Америке и Европе в прошедшем столетии. 60 600 500 400 300 200 100 0 1900 1 1920 2 Число водохранилищ 1940 3 1960 4 1980 5 Полный объем, млрд м3 Рис. 2.2. Рост числа водохранилищ в Сев. Америке и Европе в 20 веке. (По [Водохранилища…, 1979]). К концу столетия темпы строительства водохранилищ замедлились, что связано в большей степени с завершением регулирования рек в индустриально развитых странах и созданием комплексов водоснабжения в крупных урбанизированных районах мира (Волга, Днепр, Теннесси). В то же время в некоторых развивающихся странах, особенно в регионах засушливого климата (Бразилия, некоторые страны Африки, Азии) темпы строительства водохранилищ даже возросли, поскольку хозяйственное развитие этих регионов тесно связано с необходимостью гарантированного обеспечения населения, сельского хозяйства и промышленности водой. 2.1. Географическое распределение озер и водохранилищ на земном шаре. Распределение озер на земном шаре тесно связано с их происхождением. Главной чертой этого распределения выступает максимум количества озер в поясе ледниковой деятельности северного полушария. По выборке из 2300 естественных озер Р.Шуллинг [1976] построил график широтного распределения количества озер на земном шаре, имеющий тримодальный вид. Трудно определить насколько репрезентативна выборка 61 Шуллинга, но в целом представленное распределение вполне соответствует распределению климатических и геологических факторов их генезиса. Все три пика на графике Шуллинга соответствуют районам земного шара богатых водными ресурсами. Это можно считать главной особенностью распределения озер на земном шаре, большинство из которых сосредоточены во влажных районах. По оценкам В.Левиса [1996], в умеренных широтах сосредоточено 90% озер мира. В тропических широтах доминируют пойменные озера в бассейнах крупнейших рек тропического пояса и небольшие прибрежные озера. Некоторые известные озерные районы семиаридного климата (озера Кулундинской степи, озера Прикаспия, озера Флориды) обусловленные особенностями рельефа можно считать исключением из этой общей закономерности. Распределение водохранилищ на земном шаре определяют цели их создания. Интенсивное строительство водохранилищ ведется в регионах, развитых в хозяйственном отношении, с высокой плотностью населения (выработка электроэнергии, водный транспорт, борьба с наводнениями) и в регионах с явно выраженным дефицитом водных ресурсов (промышленное и коммунальное водоснабжение, ирригация). В развитых и развивающихся странах семиаридного климата количество построенных водохранилищ достигает десятков тысяч (Испания, Бразилия). Иллюстрацией этого положения представляются графики распределения по широтам озер и водохранилищ в США и на Европейской территории России. Распределение озер и водохранилищ по широте в Европейской части России показано на рис.2.3. 62 А) Количество на 10 тыс. кв. км 2000 1500 1000 500 0 46 50 54 58 Широта, град 62 66 Б) Площадь, кв. км 25000 20000 15000 10000 5000 0 46 50 54 58 Широта, град 62 66 Рис. 2.3. Распределение озер и водохранилищ по широте на Европейской территории России А – количество (на 10 тыс. кв. км), Б – суммарная площадь, км2 (темные столбики – водохранилища, светлые столбики – озера) График построен по данным «Кадастра водохранилищ СССР» [Кадастр…, 1988] и справочным данным рек и озер СССР [Доманицкий и др., 1971]. Помимо количества 63 водных объектов на графике представлена величина суммарной площади водной поверхности озер и водохранилищ в соответствующих широтных поясах. Распределение озер и водохранилищ на Европейской территории России имеет ярко выраженную противоположную направленность. Северный максимум озер обусловлен широким распространением небольших тундровых озер на этих широтах. Максимум по площади расположен несколько южнее и связан с ледниковыми озерами Северо-Запада. В распределении водохранилищ максимум как в количестве, так и в суммарной площади относится к широтам, соответствующим Черноземной полосе ЕТ России и югу России, где по сравнению с северными регионами значительно более высокая плотность населения и развитое сельское хозяйство. Это подтверждает преобладание экономико- географических причин в закономерностях распределения водохранилищ. Для США подобный график построен К.Торнтоном [1984] по выборке из 309 естественных озер и 109 водохранилищ (рис. 2.4). Этот график показывает максимум в распределении озер в ледниковом районе (севернее 40 градусов северной широты), а максимум водохранилищ находится существенно южнее. Частота встречаемости, % 60 50 40 30 20 10 0 30-35 1 35-40 2 Широта, град 3 40-45 4 45-50 Рис. 2.4. Распределение водохранилищ (темные столбики) и озер (светлые столбики) по широтам в США (по К.Торнтону [1984]). Большинство водохранилищ США сосредоточено в центральном, юго-восточном и восточном районах, районах интенсивного развития сельского хозяйства и напряженного водохозяйственного баланса. Uеографическое распределение озер и водохранилищ и на земном шаре в целом проявляет противоположную тенденцию. Это обусловило доминирование различных типов ландшафта и влияния различных географических факторов на гидроэкологический режим этих водных объектов. 64 Различия в климатических характеристиках озер и водохранилищ полностью связаны с разницей в их географическом положении. Для водохранилищ, доминирующих в полуаридном климате, характерно преобладание испарения над осадками. Высокое испарение ведет к прямым потерям воды, например водохранилище Собриньо на Северо-востоке Бразилии ежегодно теряет около 2 км3 воды. [Tundisi, 1981]. Однако, несмотря на это, создание водохранилищ в этих регионах часто выступает едва ли не единственной возможностью увеличения водных ресурсов за счет регулирования крайне неравномерного во времени речного стока. Большинство же озер расположено во влажных районах с превышением осадков над испарением. Интересный аспект климатических различий отмечен в работе К.Торнтона, который показал, что в районах США, где сосредоточено большинство водохранилищ, более активна циклоническая деятельность и связанный с ней ветровой режим [Thornton, 1984]. Важнейшим следствием различий в географическом распределении озер и водохранилищ выступают особенности их водосборов. Именно через водосбор, посредством речного и склонового стока, проявляется, главным образом, как природное, так и антропогенное влияние на экосистему водоема. Степень этого влияния зависит от величины внешнего водообмена водоема. В водохранилищах практически всегда доминирует горизонтальная (речная) составляющая внешнего водообмена. Они характеризуются значительно большими величинами коэффициента водообмена. В широко использующемся в лимнологической литературе понятии «отклик экосистемы на внешнее воздействие» основной смысл связан с воздействием на водоем в виде речного притока с водосбора. Рассмотрение водоема и водосбора как единой системы стало отличительной чертой современных комплексных лимнологических исследований [Драбкова, Сорокин, 1979, Изменения…, 1983]. Различия водосборов озер и водохранилищ проявляются в ландшафтных особенностях и в форме водосборной площади. Размер и форма водосборов определяет характер пространственного распределения внешней нагрузки на водоем, существенно зависящий от положения водоема в бассейне. Водосбор водохранилищ обычно узкий и удлиненный, завершающийся водоемом, в отличие от водосбора озер – кругового с водоемом в центре. Важной количественной характеристикой водосбора выступает его удельная величина, представляющая отношение площади водосбора к площади водоема, которая наряду с климатическими характеристиками определяет структуру водного баланса водоема. Для водохранилищ площадь водосбора определяется выбором местоположения створа плотины в том или ином месте речной сети. Сравнительный анализ распределения относительного числа долинных водохранилищ и озер с различными размерами удельного водосбора, проведенный К.К.Эдельштейном по выборке из 852 водоемов [Эдельштейн, 1991], показал, что почти треть из рассмотренных им озер имеют 65 удельный водосбор менее 20, в то же время для 90% долинных водохранилищ эта величина более 20. По этому показателю различия озер и водохранилищ проявляются весьма отчетливо: удельные водосборы водохранилищ в среднем намного превышают удельные водосборы озер. Следует отметить, что в отличие от ландшафтных характеристик, форма водосборов и их удельная величина относятся к азональным факторам. Ландшафтные особенности водосборов связаны с описанными выше различиями в их географическом распределении и проявляются в особенностях формирования водного, химического стока и стока взвешенных веществ. 2.2. Морфологические различия чаши озер и водохранилищ Строение чаши водоемов оказывают глубокое влияние на внутриводоемные процессы, определяя особенности процессов внутреннего водообмена и связанного с ним круговорота химических веществ. Особенности котловин озер и долинных водохранилищ определяется их различным генезисом. Чаши долинных водохранилищ формируются в речной долине, но несмотря на большое геоморфологическими разнообразие особенностями типов отдельных речных регионов долин, суши, обусловленное имеют общие закономерности. Долинные водохранилища характеризуются большой удлиненностью и гетероморфностью строения котловины, которая всегда асимметрична с максимальной глубиной у плотины. Размеры и емкость долинных водохранилищ существенно зависят от выбора створа плотины в речной системе и высоты плотины, что проявляется в эмпирической связи между площадью акватории и емкостью долинных водохранилищ. Озера отличаются значительно большим разнообразием строения котловины, связанным с разнообразием их генезиза. Однако общей чертой строения их котловин можно считать положение максимальной глубины вблизи центра озера. Морфометрические характеристики размера чаш озер и водохранилищ варьируют в значительных пределах и не имеют принципиальных различий. Особенности строения их чаши проявляются в существенных различиях некоторых относительных морфометрических показателей и в геометрическом моделировании формы котловины. Водохранилища отличаются от озер значительно меньшим размахом колебаний средней глубины, т.е. отношением объема к площади (W/F), большей удлиненностью ( = L/Bср), где L – длина водоема, Bср – средняя его ширина. При этом в морфометрически сложных долинных водохранилищах эти различия усиливаются. Для оценки влияния строения чаши водоема на особенности функционирования экосистемы и процессы эвтрофирования важной морфометрической характеристикой водоемов представляется форма ложа. Два крайних типа этой формы имеют вид V- 66 образного и U- образного сечения. Значение этой характеристики обусловлено особой значимостью в эвтрофировании процессов массообмена на границе вода-дно водоема. Для каждого выделенного в водоеме горизонтального слоя площадь зоны контакта вода-дно зависит формы ложа. Влияние донных отложений на этот слой определяется отношением поверхности дна в этом выделенном слое к объему слоя. Это отношение, названное Имбоуденом [1989] «Функцией взаимодействия поверхности дна» можно выразить следующим образом: a F F (h h) F (h) 1 dF W F (h) h F dh (1) где F – площадь водоема на глубина h, W – объем водоема Изменение концентрации какого-либо химического вещества в водоеме под влиянием его потока из донных отложений или наоборот из воды в донные отложения определяется как W dC [ F (h dh) F h] S dt C – концентрация вещества, S - поток вещества из донных отложений. Разделив обе части на W и, учитывая выражение ( 1 ), получаем dC aS dt Таким образом, скорость изменения концентрации веществ в водоеме под влиянием донных отложений параметром а, определяется характеризующим интенсивностью морфометрические потока вещества и особенности водоема. В глубоководных частях водоемов V- образной формы величина а значительно меньше, чем в глубоководных частях водоемов с U- образной формы, поэтому при прочих равных условиях влияние донных отложений на химический состав вод водоема в последних будет больше. 67 Площадь зоны контакта вода-дно имеет исключительно важное значение также и для кислородного режима водоема вследствие высокой активности процессов минерализации органического вещества на поверхности донных отложений. В мелких водоемах быстрое образование зон аноксии при одинаковых условиях продуцирования и поступления на дно органического вещества значительно более вероятно, чем в глубоких. Степень изрезанности береговой линии водохранилищ определяется геоморфологическими особенностями местности и у сложно-долинных водохранилищ может быть очень велика. Статистическое сравнение озер и водохранилищ по одному из очень распространенных морфометрических показателей – коэффициенту емкости водоема, представляющего собой отношение средней глубины водоема к максимальной, (h/Hmax) показало, что водохранилища существенно отличаются от озер и имеют меньшие средние значения и меньшую вариабельность этого показателя [Эдельштейн, 1991]. Соответственно, в гидрологическом режиме, динамике водных масс водохранилищ роль размеров и формы ложа значительно важнее, чем в других водных объектах замедленного водообмена. Для характеристики моделирование, формы заключающееся в котловины сравнении применяется формы водоема геометрическое с известными геометрическими телами. Количественная оценка близости формы водоема к этим телам производится по различным показателям, называемым показателями формы. Озерные котловины при геометрическом моделировании сопоставляются с телами вращения, имеющими вертикальную ось (конусом, парабалоидом, полуэллипсоидом и цилиндром). Такое сопоставление позволило проанализировать связь динамических процессов, протекающих в озере, со строением его чаши и в первую очередь изменений гидродинамической устойчивости масс воды при неоднородном поле плотности [Богословский, 1960, Хомскис, 1969]. Морфологические и морфометрические особенности долинных водохранилищ предопределили выбор усеченной трапецеидальной призмы в качестве модельной фигуры их формы [Эдельштейн, 1975, Страшкраба, Гнаук, 1989]. Анализ влияния такой асимметричной формы чаши водохранилищ на динамические процессы, проявляющееся в существовании наряду со свободной конвекцией продольной плотностной циркуляции вод, показывает их принципиальное отличие от динамических процессов в озерах, характеризующихся длительными периодами стагнации водных масс. В динамике вод это в первую очередь относится к возникновению и широкому распространению в водохранилищах плотностных течений, которые относительно редко встречаются в озерах. В водоемах умеренной зоны плотностные течения в водохранилищах связаны, главным образом, с различиями плотности по минерализации и проявляются в зимний 68 период. В водохранилищах аридной зоны нередки плотностные потоки мутьевого происхождения [Пуклаков, 1999, Самолюбов, 1999]. Влияние морфометрических особенностей проявляется также в развитии вертикальной плотностной и химической стратификации водной толщи в озерах и водохранилищах. Наконец, продольные различия динамических явлений также существенно различаются в водных объектах сравниваемых двух классов. 2.3. Особенности антропогенного влияния на озера и водохранилища Водохранилища – водные объекты, создаваемые с целью регулирования речного стока, поэтому главная их особенность по сравнению с озерами состоит в том, что их водный режим в значительной степени зависит от управления стоком воды через гидроузел. Основное следствие этого регулирования – значительно больший, чем в озерах, размах внутригодового колебания уровня воды. Это имеет важное значение для внутриводоемных процессов, особенно в вегетационный перио,д и для развития донных биоценозов, их участия в функционировании водной экосистемы. По периметру водохранилища имеется пространство переменной ширины и площади, периодически затапливаемое водой. Особенно обширны такие мелководно-осушные зоны на равнинных водохранилищах, где они составляют существенную долю площади акватории при НПУ. Методика выделения зон постоянного и периодического затопления в водохранилищах, основанная на совместном анализе кривых обеспеченности уровня воды в водохранилище и его батиграфических кривых разработана К.К.Эдельштейном [Эдельштейн, 1975]. Однако, роль этого пространства в функционировании экосистемы водохранилища, в формировании его биологической продуктивности, в процессах вторичного загрязнения и самоочищения воды до сих пор не получила обоснованной оценки. Второе важнейшее следствие хозяйственного регулирования водного режима – нестабильность гидродинамического режима, проявляющаяся в колебаниях скорости стокового течения, в появлении длинных волн и в усложнении гидрологической структуры водоема. Существенное экологическое значение имеет также сброс воды из водохранилища. В стратифицированных водохранилищах это влияет на характер круговорота веществ в приплотинном участке. Конструкции водосбросных сооружений отличаются значительным разнообразием. С точки зрения влияния на гидрологический режим водохранилища наибольшее значение имеют конструкции, обеспечивающие возможность селективного многоуровенного сброса. Эта особенность принципиально отличает водохранилища от озер, не имеющих глубинного стока. В озерах сброс вод гиполимниона невозможен, в то время как в водохранилищах ГЭС в период стагнации 69 сброс вод проиводится как раз из глубинных слоев. Еще одна особенность гидроэкологического режима водоемов связана с антропогенным влиянием. Водохранилища создаются в основном в густонаселенных и интенсивно развивающихся в хозяйственно-экономическом отношении регионах. В связи с этим они испытывают, как правило, значительно более высокую антропогенную нагрузку химическими веществами. Поступление загрязняющих веществ разнообразного химического состава может быть как непосредственно в водохранилища, так и в притоки водохранилища, т.е. в гидрографическую сеть водосбора водохранилища. Загрязняющие вещества поступают в водоем и в водотоки бассейна, как путем сосредоточенных сбросов канализационных систем, так и из рассредоточенных источников вследствие смыва поверхностными водами с загрязняемых городских и промышленных территорий, сельскохозяйственных угодий, ферм и пастбищ. Сток загрязняющих веществ и биогенных элементов с водосбора, определяющий химическую нагрузку водоема, зависит как от физико-географических особенностей водосбора, так и от степени антропогенной его освоенности, которая для водохранилищ, как правило, более высока, чем для озер. К антропогенным факторам, влияющим на химическую нагрузку на водоемы, относится их рекреационное использование. Роль этого фактора в урбанизированных районах естественно значимее. Создание, как отдельных водохранилищ, так и гидротехнических комплексов для водоснабжения крупных городов связано с их интенсивным использованием для целей рекреации. Примером может служить система водоснабжения г.Москвы, включающая 12 водохранилищ, большинство из которых широко используются для водного отдыха и любительского рыболовства жителями многомиллионного города. Заметное ухудшение качества воды наблюдается в водохранилищах в первые годы их существования, когда происходит выщелачивание химических веществ из залитых почв. Интенсивному поступлению веществ в воду способствуют анаэробные условия в придонных слоях, возникающих при разложении затопленного растительного покрова. Особенно сильно этот дефицит выражен в водохранилищах, ложе которых не очищалось от растительности перед затоплением. В дальнейшем с течением времени, длительность которого зависит от характера почв, растительности, климатических условий и интенсивности водообмена, экосистема водохранилища стабилизируется, дно покрывается иловыми отложениями, и сбалансированные внутриводоемные процессы уже мало отличаются от озерных. Чрезвычайно важным обстоятельством является то, что в водохранилищах имеется возможность целенаправленного регулирования интенсивности и направленности внутриводоемных процессов, что невозможно в озерах без создания специальных конструкций. Через регулирование внутриводоемных процессов можно приблизиться к решению задач управления круговоротом вещества в экосистеме водоема и, тем самым, к достижению важнейшей цели современной гидроэкологии – 70 управлению качеством воды водохранилищ. 2.4. Сравнительные характеристики гидролого-гидрохимического режима озер и водохранилищ Отмеченные в предыдущем разделе особенности главных факторов, определяющих функционирование экосистем озер и водохранилищ, проявляются в характере гидрологического и гидрохимического режимов этих водоемов. После того, как на гидроэкологические особенности водохранилищ лимнологи начали обращать особое внимание, сделано несколько попыток сформулировать и обобщить принципиальные различия между озерами и водохранилищами [Straskraba et al., 1993, Groeger, Kimmel, 1985]. В нашей работе это обобщение проведено по гидрологическим (табл. 2.1), гидрохимическим (табл. 2.2) элементам экосистем этих водных объектов. Естественно, следствием различий этих элементов экосистем выступают различия в развитии их биотической части рассматриваемых классов водоемов. (табл. 2.3). Биотическое сообщество экосистемы водохранилища отличается от озерного, как правило, низким разнообразием, относительно четко выраженной специализацией экологических ниш, быстрым селективным развитием. Особым периодом в становлении экосистемы водохранилищ, как правило, характеризующимся крайне высокой продуктивностью, является период после затопления ложа водохранилища, когда в результате интенсивного выщелачивания химических веществ из затопленных почв и разложения органического вещества на дне водохранилища водные массы обогащаются биогенными элементами, что приводит к аномальным вспышкам «цветения» фитопланктона. Длительность этого периода становления экосистемы зависит от физико-географических характеристик местности, степени подготовленности ложа к затоплению. Таблица. 2.1. Сравнительные характеристики гидрологического режима озер и водохранилищ. Характеристики водоема Водохранилища Озера Форма ложа Вытянутая, ассиметричная вдоль продольной оси с наибольшей глубиной вблизи плотины Часто округлая и более симметричная относительно вертикали в точке наибольшей глубины Нерегулярная , эпизодическая только во время особенно сильных штормов Трансформация берегов Очень интенсивная в первые десятилетия и постепенно затухающая особенно медленно в водохранилищах многолетнего регулирования стока с наиболее 71 Изменение береговой линии Приток Сток Колебания уровня Структура водного баланса Коэффициент водообмена Гидрологическая структура водных масс Радиационный режим Температура воды Термическая стратификация Поле плотности воды и гравитационная устойчивость водной массы нестабильным уровнем Сильное, литоральная зона перемещается при сработке. В основном по крупным рекам, проникает в стратифицированные слои и часто поток распространяется вдоль затопленного русла В зависимости от назначения нередко очень неравномерный, селективный из поверхностного слоя и из гиполимниона, либо интегральный при больших сбросах Нерегулярные, внутригодовые – большие, превышающие многолетние колебания уровня Однообразна, только стоковоприточного типа с долей как осадков, так и испарения во внешнем водообмене не более 25%. Короткий, переменный. Увеличивается во время сбросов поверхностных вод. Очень сложная, многокомпонентная, особенно в морфологически сложных водохранилищах с умеренным водообменом (с периодом водообмена более полугода). Не зависит от размера водоема и проявляется в накоплении генетически и качественно различных водных масс озерного типа и речных фаз стока. Преобладает горизонтальный градиент экстинкции света. Экстинкция неравномерная и часто очень высокая в речной и промежуточной зоне из-за высокого содержания минеральных взвесей. Более высокая Стратификация изменчивая, нерегулярная. Обычно не возникает в слишком мелководных речной и промежуточной зонах. Плотность воды более горизонтально и вертикально неоднородная. Наибольшая в придонной зимней водной массе и в придонном плотностном потоке (термобара не образуется). Постоянная неустойчивость, проявляющаяся в сезонной конвекции и плотностных придонных течениях в меженные периоды минерализационных (в равнинных водохранилищах) и мутьевых (в горных водохранилищах). Относительно слабое, положение литорали стабильное В основном с небольшими реками малого порядка и диффузными источниками. Проникновение в стратифицированные слои слабое и рассеянное. Плавно изменяющийся в течение года из поверхностного слоя Внутригодовые небольшие, обычно меньше, чем многолетние Большое разнообразие, включающее все типы структуры и зависящее от удельного водосбора и климата Продолжительный, из года в год относительно постоянный (от одного до многих лет) Проста, однородна в мелководных озерах с малым удельным водосбором, несколько усложняется в глубоких и крупных озерах в периоды существования термобара, либо в сильно проточных озерах. Преобладает вертикальный световой градиент. Изменчивая, но относительно низкая экстинкция. Обычно низкая из-за более холодного климата В глубоких озерах регулярная и устойчивая в течение летнего периода. Горизонтально почти однородная, наибольшая в термобаре. Сезонная неустойчивость в периоды частичной и полной циркуляции, сменяющаяся гравитационной устойчивостью в периоды стагнации. 72 Таблица 2.2. Особенности элементов гидрохимического режима и их последствий в озерах и водохранилищах Элементы режима Водохранилища Озера Нагрузка взвесями Высокая в соответствии с интенсивной трансформацией берегов. Аллохтонная нагрузка взвешенным органическим веществом умеренная Высокая и изменчивая концентрация взвешенных частиц в воде с большой долей минеральных частиц песка и глины, сравнительно большая мутность воды Малая, как общая, так и аллохтонным взвешенным органическим веществом Взвешенное вещество в воде Донные отложения Растворенные минеральные вещества Внешняя биогенная нагрузка Изменчивость концентраций биогенных веществ Растворенное органическое вещество (РОВ) Растворенный кислород Большие в верховьях, максимальная толщина приурочена к затопленной русловой ложбине, большая сезонная изменчивость скорости накопления, взмучивание и трансседиментация при сработке, низкое содержание органического вещества Неоднородность минерализации особенно существенна в слабо проточных водохранилищах, питающихся незарегулированным стоком, в период конвекции – горизонтальная, в период стагнации - вертикальная Большая, очень изменчивая, часто непредсказуемая Доминирует горизонтальный градиент. Зависит от скорости седиментации и режима притока, концентрации уменьшаются с удалением от верховьев, неравномерная внутренняя нагрузка Преобладают аллохтонные источники, неравномерное, часто высокой концентрации, доминирует стойкое РОВ Более низкая растворимость из-за более высокой температуры. Большая горизонтальная изменчивость. Минимум в металимнионе более обычен, чем максимум В глубоких слоях озер малая или очень малая концентрация взвешенных веществ, в мелководных озерах – взмучивание, высокая мутность и большая доля взвешенного органического вещества Относительно низкая и постоянная сезонная скорость накопления, высокое содержание органического вещества Несущественная неоднородность в пресных голомиктических озерах и существенная вертикальная в меромиктических Изменчивая, но относительно предсказуемая, часто умеренная Доминирует вертикальный градиент Аллохтонное и литоральные источники, относительно постоянное содержание, часто высокое за счет лабильного РОВ Слабая горизонтальная изменчивость. Металимнический максимум наблюдается чаще, чем в водохранилищах 73 Таблица 2.3. Особенности элементов гидробиологического режима и их последствий в озерах и водохранилищах Сообщества водных Водохранилища Озера организмов Фитопланктон Зоопланктон Бентос Ихтиофауна Заметная горизонтальная неоднородность биомассы и видового состава. Первичная продукция ограничивается высокой мутностью и содержанием биогенов Максимум развития в транзитной (переходной) зоне, горизонтальная неоднородность велика, основной источник пищи – взвешенный детрит с адсорбированным РОВ Низкое разнообразие с минимумом в литорали, продуктивность от низкой до умеренной, в первые годы высокая при затоплении наземной растительности Преимущественно теплолюбивые виды рыб, нередко отличные от первоначального состава, условия нереста ухудшаются при низком уровне, продуктивность вначале высокая, затем уменьшается Преобладает вертикальная и сезонная неоднородность. Горизонтальная неоднородность мала. Преобладает вертикальная и сезонная изменчивость, пятнистость умеренная, главный источник пищи фитопланктон Разнообразие и продуктивность умеренное до высокого Хорошие условия нереста, меньше гибель икры, хорошие условия развития личинок, умеренная продуктивность Учитывая выявленные особенности водохранилищ, становится важен вопрос о применимости индексов, классификаций и критериев трофического состояния к водохранилищам. Здесь мнения исследователей различны. Так, некоторые лимнологи подчеркивают необходимость разработки специальной типологии состояния экосистем водохранилищ, которая учитывала бы специфику водохранилищ [Lind, Terrell, 1990, Margalef, 1975]. В тоже время в уже упоминавшейся международной программе по эвтрофированию не проводилось разделения оценок трофического состояния по водохранилищам и озерам. Это мнение разделяется рядом отечественных лимнологов, считающих, что интенсивность фотосинтеза в любом водоеме и даже в реках колеблется в одинаковом диапазоне, поэтому разделять объекты не следует [Баранов, 1961, Лебедев, 1988]. Проведенная проверка ряда классификаций на озерах и водохранилищах показала, что они вполне адекватны по всем показателям, за 74 исключением прозрачности, которая в водохранилищах завышала трофический уровень. Причина этого видится в более высоком содержании минеральной (нефитопланктонной) мутности в водохранилищах. Помимо прозрачности, необходимо отметить еще некоторые особенности водохранилищ, которые необходимо иметь в виду при применении классификаций и индексов. Во-первых, вследствие ярко выраженной продольной неоднородности состава воды в водохранилище нередко наблюдается продольная неоднородность абиотических и биотических элементов экосистемы и, соответственно, трофических условий [Kennedy et al., 1981]. Поэтому при применении показателей трофии для характеристики всего водохранилища необходимо их пространственное осреднение с учетом площадей и объемов участков водохранилища. Во-вторых, характерные для водохранилищ и редко наблюдающиеся в озерах плотностные потоки могут приводить к сбросу поступающих в них биогенных элементов без перемешивания с основной водной массой водохранилища. Наконец, Линд и др. выявили, что в обследованных ими водохранилищах наблюдалось неадекватное соответствие между содержанием общего фосфора и трофическим состоянием. Эти особенности вызвали попытки разработки специальных индексов трофического состояния, применимых исключительно для водохранилищ и дающих более адекватную оценку, чем обычные общеиспользуемые. Заслуживает внимания опыт разработки специального индекса для оценки трофического водохранилищ, предложенный для каскада Тенесси Дж.Кохом [1984]. состояния Выделив в системе регулирования бассейна р.Тенесси глубокие водохранилища, расположенные на притоках р.Тенесси, и относительно мелководные, расположенные непосредственно на р.Тенесси, Дж.Кох справедливо предположил, что для этих различных типов водохранилищ, индивидуальные индексы трофического состояния должны базироваться на различных показателях. Для водохранилищ на притоках показатель Коха представляет собой сумму относительного значения концентрации хлорофилла «а» и среднего из трех относительных значений концентраций биогенных элементов: неорганического углерода (щелочности), растворенного неорганического азота и общего фосфора. Эти относительные значения концентраций определяются как отношение разницы фактического среднего значения соответствующей концентрации в рассматриваемом водохранилище и минимального его значения во всей выборке к общему диапазону изменения соответствующих относительных значений во всех обследованных водохранилищах. Этот же принцип использовался при разработке показателя трофности для водохранилищ на р.Тенесси (собственно каскадных). Индекс равен сумме двух слагаемых. Первое – полусумма значений концентрации хлорофилла «а» и площади распространения макрофитов в водохранилище, второе – среднеяя величина следующих относительных значений: период водообмена, глубина видимости диска Секи, относительная площадь мелководий и относительная 75 удлиненность. Однако, как подчеркивает Дж.Кох применимость этих индексов должна быть ограничена только водохранилищами, имеющими сходные лимнологические и водохозяйственные черты с водохранилищами каскада Тенесси, что по сути делает эти индексы исключительно индивидуальными для рассматриваемого каскада. Рассматривая применимость наиболее распространенного индекса – индекса Карлсона – к оценке трофического состояния водохранилищ, В.Уокер предложил модифицировать уравнение Карлсона для прозрачности, включив в него дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность [Walker, 1979]. Уравнение В.Уокера имеет вид 1 I SD 75.3 44.8 * lg SD Где SD – глубина видимости диска Секки, м, α – дополнительный параметр, характеризующий так называемую нефитопланктонную мутность, обусловленную составляющей взвеси в водоеме, не связанной с фитопланктоном, 1/м. Величину α В.Уокер предлагает вычислять по эмпирическим формулам в зависимости от глубины водохранилища, периода его водообмена и широты местности, где оно расположено [Walker, 1985]. lg a 0,23 0,28 lg h 0,2 T 0,36 lg Pобщ 0,027 где h – глубина водохранилища, Т – период водообмена, φ – широта местности, где расположено водохранилище. Эти зависимости получены В.Уокером по наблюдениям на водохранилищах Среднего Запада и Юга США, поэтому имеют региональное значение. Индивидуальные индексы для оценки трофического состояния отдельных каскадов или систем водохранилищ безусловно позволяют более точно оценить изменения, происходящие в экосистемах этих водохранилищ, однако для их разработки нужны детальные комплексные лимнологические исследования в течение многолетнего периода, которые еще очень редки. Как показал широкий опыт применения классификаций трофического состояния, при ориентировочных оценках применение разработанных для озер методов определения трофического состояния вполне допустимо для водохранилищ при условии внимательного отношения к особенностям использования соответствующих показателей состояния этих водных объектов. 76
