Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
advertisement
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова УДК 556.555 № госрегистрации 01201351955 Инв. № 62-06/8 УТВЕРЖДАЮ Проректор МГУ ________________ А.А. Федянин "___" _________2014 г. 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 влияния экстремально жарких периодов на гидрохимические и гидробиологические характеристики систем водоснабжения на примере г. Москвы» Этап 8 «Рекомендации по снижению влияния экстремально жарких периодов на показатели качества воды в источниках водоснабжения на примере г. Москвы» (промежуточный) Руководитель темы ______________________ К.К. Эдельштейн подпись, дата Москва 2014 СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель темы, д-р географических наук, профессор ________________К.К. Эдельштейн (введение, раздел 3, 4) подпись, дата Ответственный исполнитель: канд. географических наук, _________________Ю.С. Даценко (введение, раздел 1,2, 3, 4, доцент подпись, дата заключение) Исполнители темы канд. географических наук, ст. науч. сотрудник _________________В.В. Пуклаков (раздел 2) подпись, дата канд. географических наук, науч. сотрудник _________________Д.И. Соколов (раздел 1) подпись, дата инженер _________________О.Н. Ерина (раздел 2) подпись, дата 2 РЕФЕРАТ Отчет 64 с., 1 ч., 10 рис., 5 табл., 84 источников. МОСКВОРЕЦКАЯ И ВОЛЖСКАЯ СИСТЕМА ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г. МОСКВЫ, ВОДОХРАНИЛИЩА, ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОДОХРАНИЛИЩ, ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОДОХРАНИЛИЩ, ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ФИТОПЛАНКТОН, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. Объект исследования. Водохранилища москворецкой и волжской систем водоснабжения г. Москвы, процессы формирования и трансформации качества воды в экосистемах и их математическое моделирование. Цель работы. Разработать рекомендации по регулированию процесса первичной продуктивности водохранилищ – источников водоснабжения г. Москвы. Метод проведения работы. Научный анализ опыта борьбы с эвтрофированием водных объектов, материалов многолетнего мониторинга качества воды, результатов модельных расчетов возможных изменений продуктивности водохранилищ и характеристик качества воды в условиях аномальных погодных воздействий в летний период, закономерностей и перспектив регулирования водного режима водохранилищ. Результаты работы. В результате работы сформулированы рекомендации по оперативному влиянию на продуктивность экосистем путем регулирования водного режима и перспективным мероприятиям по кардинальной реконструкции водохранилищ с целью управления процессами в экосистемах. Рекомендации по внедрению. Предложения по изменению режима оперативного управления могут быть переданы в соответствующие службы ОАО «Мосводоканала» и Московско-Окского бассейнового управления для реализации в практике эксплуатации источников водоснабжения г. Москвы и учета при совершенствовании правил регулирования стока москворецкими водохранилищами. Предложения по реконструкции водохранилищ передаются в ОАО «Мосводоканал» для анализа возможностей реализации. Область применения результатов исследования. Водоснабжение г. Москвы (ОАО «Мосводоканал»), Росводресурсы (Московско-Окское бассейновое управление). Экономическая эффективность и значимость работы. Значимость работы определяется снижением уровня проблем в водоподготовке, возникающих в условиях аномальных гидрометеорологических воздействий на водные объекты водоисточников. Экономическая эффективность может быть оценена при проведении специальных экспериментальных работ по технологии очистки воды. Прогнозные предложения о развитии объекта исследований. Рекомендации по управлению качеством воды могут быть усовершенствованы при дальнейших исследованиях процессов формирования и трансформации качества воды в водохранилищах – источниках водоснабжения с учетом полученных результатов многовариантных сценарных расчетов. В первом разделе отчета рассматриваются факторы, определяющие продукционные процессы в водохранилищах в периоды аномально жаркой летней погоды. Последовательно рассматриваются следующие факторы развития фитопланктона: - гидрологические: режим водного притока, режим регулирования стока гидроузлом, морфометрические особенности водоема, термический режим водных масс; 3 - гидрохимические: загрязнение вод, внешняя химическая нагрузка на водоем, запас биогенных веществ в водоеме, внутренняя химическая нагрузка. Выделены ведущие факторы и обсуждаются особенности их проявления в водохранилищах – источниках водоснабжения г. Москвы в условиях наступления жарких периодов. Во втором разделе отчета представлен литературный обзор практических методов воздействия на водоемы с целью сдерживания процесса их эвтрофирования. Весь спектр таких методов подразделяется на методы на водосборе и методы на водоеме. Рассматриваются примеры успешного применения отдельных методов, обсуждаются возможные проблемы, возникающие при попытках воздействия на продукционные процессы в водоемах. Обосновывается неприменимость большинства описанных методов в практике эксплуатации водохранилищ москворецкой и волжской систем водоснабжения. Более подробно рассматриваются методы воздействия на процессы в экосистемах, которые могут быть реально использованы в системах московских источников водоснабжения. В третьем разделе отчета обсуждаются методы, которые рекомендуются по результатам настоящего исследования к внедрению в практику работы ОАО «Мосводоканал» и в практику перспективного проектирования водохранилищ – источников водоснабжения. К оперативным методам относится регулирование уровня воды в москворецких водохранилищах в вегетационный период с целью снижения интенсивности развития в них синезеленых водорослей. При этом предлагается использовать результаты мониторинга или оперативного модельного прогностического расчета с учетом возможности селективного или интегрального сброса воды в москворецкую речную систему для оптимизации в ней качества воды в периоды вспышек цветения синезеленых водорослей. Делается вывод о нецелесообразности использования водных ресурсов Вазузской гидротехнической системы для кратковременного эпизодического улучшения экологического состояния и качества воды в москворецкой системе. Из перспективных мероприятий предлагается проектирование экологической реконструкции водохранилищ в полисекционные водоемы. Расчетами обосновывается экологическая эффективность такой реконструкции. В четвертом разделе отчета рассматривается возможность совместного скоординированного использования водных ресурсов москворецкого и волжского источников водоснабжения для регулирования качества воды. Признается осуществимой только одна возможность такого регулирования – разбавление высокоцветных вод Верхней Волги попусками малоцветной воды из Вазузского водохранилища. Расчетами получена номограмма для оценки эффективности этого мероприятия. 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 9 1 Перечень основных факторов, влияющих на изменение гидрохимических и гидробиологических показателей качества воды в водохранилищах при возникновении экстремально жарких погодных условий ...................................................................................... 11 1.1 Влияние гидрологических факторов на рост водорослей в москворецких водохранилищах ........................................................................................................................... 11 1.2 Влияние гидрохимических факторов на рост водорослей в водохранилищах систем водоснабжения г. Москвы ........................................................................................................... 18 Выводы раздела ............................................................................................................................ 23 2 Оценка возможностей управления гидрохимической и гидробиологической обстановкой в водохранилищах .............................................................................................................................. 24 2.1 Роль водосбора в управлении процессами в экосистемах ................................................. 24 2.2 Мероприятия по регулированию процессов в водохранилищах ....................................... 25 2.3 О возможностях управления экологическими процессами в водохранилищах систем водоснабжения г. Москвы ........................................................................................................... 32 Выводы раздела ............................................................................................................................ 36 3 Комплекс мероприятий по предупреждению опасных изменений качества воды в водоисточниках и смягчению негативных последствий экстремально жарких периодов ...... 37 3.1 Совершенствование мониторинга качества воды в водохранилищах – источниках питьевого назначения .................................................................................................................. 37 3.2 Экологическая реконструкция водохранилищ .................................................................... 38 3.3 Оценка возможности смягчения негативных последствий путем регулирования уровенного режима водохранилищ и снижения уровня цветения в нижнем бьефе системы путем перекачки чистой воды через Рузу .................................................................................. 44 3.4 Снижение первичной продуктивности водохранилищ водораздельного бьефа канала им. Москвы ................................................................................................................................... 51 Выводы раздела ............................................................................................................................ 52 4 Предложения по проведению скоординированных мероприятий в рамках отдельных бассейнов волжского и москворецкого водоисточников ............................................................ 53 ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................ 59 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................................................................... 60 5 ОПРЕДЕЛЕНИЯ В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями: Алгоритм модели – точное предписание последовательности действий в модели, преобразующих исходные данные в искомый результат. Биогенные элементы – вещества (в том числе химические элементы), необходимые для существования живых организмов. Валидация модели – проверка соответствия данных, полученных в процессе машинной имитации, реальному ходу явлений, для описания которых создана модель. Верификация модели – проверка соответствия поведения модели предположениям экспериментатора, т. е. тем данным, которые ожидались при формировании модели Водообмен – совокупность физических процессов, приводящих к смене воды в водном объекте. Водохранилище – искусственный водоем для накопления воды с целью ее использования для водопотребления. Вынужденная конвекция – движение жидкости под действием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или однородного поля массовых сил, приложенных к жидкости внутри системы, или за счёт кинетической энергии, сообщённой жидкости вне системы. Детрит – взвешенные в воде останки тел погибших животных и растений. Дрейфовые течение – течение в водоеме, вызываемое воздействием ветра на водную поверхность. Зоопланктон – часть планктона, представленная животными, которые не могут противостоять течениям и переносятся вместе с водными массами. Итерация – организация обработки данных, при которой действия повторяются многократно, не приводя при этом к вызовам самих себя. Ихтиофауна – биологическая совокупность рыб какого-либо водоёма. Математическая модель водохранилища – упрощенное описание водохранилища и его гидрологического режима с помощью математических понятий. Органические вещества в воде – содержание соединений углерода с другими элементами в природных водах. Параметры модели – относительно постоянные показатели, характеризующие моделируемую систему (элемент системы) или процесс. Плотностное течение – поступательное движение воды, вызванное горизонтальным градиентом плотности воды. Свободная конвекция – процесс вертикального перемешивания воды под действием силы тяжести. Седиментация – оседание под действием силы тяжести взвешенных в воде различных примесей. Селективность – избирательность, способность производить отбор. Стехиометрия – учение о количественных отношениях, в которых вещества вступают в химическое взаимодействие друг с другом. 6 Стоковое течение – поступательное движение воды в водоеме, вызванное горизонтальной составляющей гидростатического давления при наличии уклона водной поверхности. Схематизация водохранилища – представление морфометрии водохранилища в упрощенном виде. Фитопланктон – растительная часть планктона, совокупность пассивно парящих и переносимых течениями в толще воды растительных организмов, главным образом микроскопических водорослей, одноклеточных и колониальных. 7 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ БПК – биологическое потребление кислорода; ВГТС – Вазузская гидротехническая система; ГМВ-МГУ – гидрологическая модель водохранилищ Московского государственного университета; ГОСТ – государственный стандарт; ГЭС – гидроэлектростанция; НПГ – нормальный подпорный горизонт; ОВ – органическое вещество; ОФ – общий фосфор; РМФ – растворенный минеральный фосфор; РО – расчетный отсек гидрологической модели; СПАВ – синтетические поверхностно-активные вещества; УМО – уровень мертвого объема водохранилища. 8 ВВЕДЕНИЕ Современное состояние решаемой научно-технической проблемы. Уровень современных представлений о закономерностях функционирования водных экосистем уже достаточно высок, но он крайне редко используется для решения задач сугубо практических, хотя такие задачи возникают все чаще и чаще. Охрана водных объектов, а объектов питьевого водоснабжения особенно, уже давно поставлена во главу угла современной практической экологии. В подавляющем большинстве случаев под охраной водных объектов понимается комплекс технических, организационных, экономических и правовых мероприятий, направленных на предотвращение или уменьшение поступления загрязняющих веществ в водные объекты. Значительно меньше внимания уделяется попыткам регулирования качества воды и экологического состояния объекта в целом путем проведения мероприятий в самом водоеме. Но и в этой области уже накоплен немалый опыт, относящийся к методам регулирования продуктивности водоемов (борьба с эвтрофированием водоемов). Особыми возможностями в этом направлении обладают мероприятия в водохранилищах, которые, в отличие от озер, относятся к водным объектам с регулируемым режимом. Однако современные правила по эксплуатации гидроузлов никогда (или почти никогда) не включают даже элементы регулирования стока с целью улучшения качества воды как в самом водохранилище, так и в его нижнем бьефе или у водозабора. Совершенно очевидно, что для использования возможностей регулирования стока для управления качеством воды необходимо, во-первых, научное обоснование такого регулирования, во-вторых, наличие возможности избежать противоречия между целями регулирования количества воды (для чего, в основном и создаются водохранилища) и целями улучшения или сохранения качества воды. Эти актуальные задачи в настоящее время стали важным направлением современной практической гидроэкологии. Актуальность и новизна темы. Научное обоснование рекомендаций по управлению качеством воды в водных объектах – источниках водоснабжения – тема актуальная для любых водохозяйственных программ. Мировая практика регулирования качества воды небогата предложениями как оперативного, так и перспективного, стратегического характера. И это несмотря на то, что водоснабжение крупных городов основано преимущественно на использовании вод поверхностного стока. Для московского водоснабжения попытка такого обоснования делается впервые, при этом рассматриваются принципиально различающиеся по характеру регулирования стока водохозяйственные гидротехнические системы. Опыт такого исследования, несомненно, будет полезен при решении проблем качества воды других систем водоснабжения, включающих элементы московских водохозяйственных систем. Основание и исходные данные для разработки темы. Разработка рекомендаций по управлению качеством воды базируется на обобщении многолетних исследований водохранилищ–источников московского водоснабжения. Два из них – Можайское и Учинское более полувека служат своеобразными пилотными объектами для гидрохимических и гидробиологических исследований. Результатом этих исследований явилось создание математической модели ГМВ-МГУ, учитывающей как гидрологические особенности объектов, так и внутриводоемные процессы формирования качества воды в условиях замедления стока. Комплекс выполненных нами сценарных расчетов обеспечил 9 необходимую информацию для обоснования рекомендаций по регулированию качества воды. Планируемый научно-технический уровень разработок. Научно-технический уровень разработок в области практических рекомендаций по управлению качеством воды и продукционными процессами в водохранилищах обусловлен использованием самой современной и наиболее перспективной научной методологии – имитационного и статистического моделирования процессов формирования качества воды в экосистемах водохранилищ. Цели и задачи настоящего этапа исследований по теме. На данном этапе исследований решены следующие задачи: обобщен и критически рассмотрен мировой опыт экологического восстановления водоемов и практического воздействия на процессы круговорота вещества и энергии в водоемах. С помощью расчетов по статистически верифицированной математической модели обоснованы рекомендации по оперативному управлению процессом цветения москворецких водохранилищ путем регулирования уровня воды и обоснованы инновационные предложения по гидротехнической реконструкции водохранилищ с целью управления уровнем воды, внутренним водообменном, самоочищением речных вод и продукционными процессами в водоеме, не изменяя существующих диспетчерских правил водоподачи и сработки полезного объема водохранилища. 10 1 Перечень основных факторов, влияющих на изменение гидрохимических и гидробиологических показателей качества воды в водохранилищах при возникновении экстремально жарких погодных условий 1.1 Влияние гидрологических факторов на рост водорослей в москворецких водохранилищах В условиях эвтрофных водоемов (при достаточно высоком уровне содержания биогенных элементов в воде и донных отложениях) в возникновении сезонных изменений водорослей и выходе их отдельных групп на доминирующее положение в альгоценозах важную роль играют как биотические, так и абиотические факторы. Среди первых важное значение принадлежит темпу размножения, определяемому как генотипом, так и способностью к поддержанию на определенном уровне энергетического потенциала, т.е. достаточно широкими адаптационными способностями к сохранению высокой функциональной активности в экстремальных условиях. Число абиотических факторов более разнообразно. В водохранилищах наибольший интерес приобретают факторы, которыми теоретически можно хотя бы частично управлять. В представленной в отчете за первый этап схеме факторов к гидрологическим относятся: - режим водного притока, - режим регулирования стока гидроузлом, - морфометрические особенности водоема, - термический режим водных масс. Эти внешние факторы в свою очередь определяют следующие внутриводоемные процессы: режим уровня, плотностную структуру и гидрологическую структуру водных масс в водоеме. Режим уровня воды. 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, что изменяет степень окисления образующегося при фотосинтезе фитопланктона органического вещества, скорость его осаждения на дно и возврата в трофогенный слой регенирируемых при этом биогенных веществ. Таким образом, колебания уровня в вегетационный период – важный гидрологический фактор внутренней биогенной нагрузки москворецких водохранилищ, вызывающей вспышки развития фитопланктона. Второй аспект влияния уровня воды связан с изменением размеров акватории водохранилищ и соотношения площадей и объемов трофогенной мелководной и трофолитической зон, что также влияет на интенсивность продукционных процессов в этих водоемах, на развитие сообществ фитопланктона, вызывающего цветение. Однако, 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 резкому увеличению внутренней биогенной нагрузки водной экосистемы. 11 Размах внутригодовых колебаний уровня в водохранилищах Москворецкой водной системы и соотношение мелководий и глубоких зон неодинаков не только из-за различий притока воды и ее сработки, но и вследствие морфологических особенностей ложа водоемов, различий их размеров, сильно изменяющихся при колебании уровня воды. Поэтому морфометрические параметры и зависимости (батиграфические кривые) каждого из водохранилищ Москворецкой водной системы необходимо считать, как и их водный режим, важным гидрологическим фактором развития фитопланктона. Средний за многолетний период размах колебаний уровня в течение водохозяйственного года в Истринском водохранилище равен 2,7 м, в Можайском он вдвое больше. В многоводную весну 1994 г. подъем уровня достигал первом 5,3 м, во втором превышал 7 м. В то же время бывали годы с намного меньшим подъемом уровня – всего 0,8 м (1979) в Истринском и 2,6 м (1981) в Можайском. Это свидетельствует о крайне нестабильном режиме уровня, что подтверждается и значениями коэффициента вариации. Величины Сv рассматриваемой важнейшей для состояния экосистемы гидрологической характеристики превышают 20%. В большем размахе колебаний уровня в Можайском водохранилище видится главная причина существенно меньшего распространения в нем зарослей макрофитов по сравнению с Истринским водохранилищем. При сопоставлении хронограмм размаха уровня в Истринском и Можайском водохранилищах видны годы с асинхронным колебанием этого параметра уровенного режима (1963, 1978, 1979, 1997), поэтому коэффициент корреляции величин ежегодного наполнения невелик (r = 0,45). В этом может быть причина несовпадения лет интенсивного цветения воды в этих водохранилищах. Существенно различаются в обоих водохранилищах и типы внутригодового хода уровня: всего в 10 водохозяйственных лет тип колебаний совпал. В остальные годы либо сроки наступления фаз приходились на разные сезоны (1969, 1974, 1977, 1994), либо число фаз было больше в одном или в другом водохранилище. Это служит дополнительной характеристикой большой нестабильности и асинхронности уровенного режима Можайского и Истринского водохранилищ, что не может не вызвать различий в один и тот же вегетационный сезон в интенсивности продукционно-деструкционных процессов в двух экосистемах даже расположенных в регионе с одинаковыми погодными условиями. Режим водного притока. За 47-летний период существования типичного для всех москворецких водохранилищ Можайского водохранилища средний объем притока воды с водосбора за водохозяйственный год равен 308 млн м3, из которого 58% поступает в этот водоем в период весеннего половодья. Максимальный приток наблюдался в 1998/99 в/х году и превышал вдвое среднее многолетнее значение. Доля половодного стока в этот год была экстремально низкой (32%), а сток 10 паводков составлял 60% годового притока. Из них самым крупным был четвертый, предзимний (с 29.09 по 3.12), объем стока в который был всего на 40% меньше стока в половодье. Минимальный приток в водохранилище – в 1964/65 в/х году 171 млн м3 – почти вдвое меньше среднего значения за многолетний период. В этот год доля половодного стока – высокая (75%). Наибольшей она была в средневодный, но почти беспаводочный 1966/67 в/х год, и достигала 86% годовой величины притока в водохранилище. Все три многоводных водохозяйственных года (1962/63, 1990/91 и 1998/99) и половина средневодных лет своей водностью обязаны не весеннему половодью, а 12 паводкам. Поэтому и связь между значениями стока за половодье и за весь водохозяйственный год невысока (r = 0,58). Эта гидроклиматическая особенность последнего двадцатилетия, не отмечавшаяся ранее гидрологами в Подмосковье, по-видимому, и служит первопричиной увеличившейся нестабильности уровенного режима Можайского водохранилища, с помощью которого ведется наиболее глубокое внутригодовое и многолетнее регулирование стока в Москворецкой водной системе. Дело в том, что паводочный сток гораздо менее предсказуем, чем сток воды в половодье. Это увеличивает сложность оперативной работы по его регулированию и затрудняет оптимизацию диспетчерских решений. Морфометрические особенности водоема. В долинных водохранилищах из-за продольной асимметрии ложа, как правило, основные массивы обсыхающих при сработке воды полезного объема находятся в верховьях водоема. В водохранилищах канала имени Москвы таких площадей нет из-за отсутствия в них полезных объемов для регулирования стока. В москворецких водохранилищах площадь таких обсыхающих частей ложа значительна: в Истринском, Можайском и Рузском она равна 12 км2, в Озернинском – 9 км2 [1], что составляет 36, 39, 37, и 39% поверхности их дна при НПУ соответственно. В многоводные годы с жаркой погодой летом возрастает потребность в воде городов Москвы и ее агломерации. Увеличивается летняя сработка запасов воды и снижается уровень воды в водохранилищах. Оголяющиеся от воды участки акватерриторий сразу зарастают ивняком и сорным травостоем (рисунок 1). Рисунок 1 – Зарастающие ивняком и сорными травами верховья Можайского водохранилища у с. Мышкино, дно обширного плеса у д. Бычково, оголяющееся побережье залива (на траверзе д. Поздняково), забитое пятном синезеленых водорослей после кратковременного нагона в июле 2008 г В последующий осенний или весенний (на следующий год) период происходит затопление дна акватерритории и этой растительной массы, ее бактериальное разложение в поверхностном слое донных отложений. В них исчезает растворенный кислород, наступает эпизодическая (в безветренные дни) аноксия и в придонном слое воды, что увеличивает в ней содержание минеральных биогенных веществ и закисных форм железа и марганца, цветности и окисляемости воды. С ночной конвекцией или при ветровом перемешивании эти химические вещества выносятся в фотический слой и в дневные часы вызывают вспышку цветения синезеленых водорослей. Эти физико- и биохимические процессы интенсифицируются в солнечную, безоблачную и потому жаркую летнюю погоду. 13 При вынужденной двухлетней сработке воды в вегетационный сезон из Можайского водохранилища и снижения в нем уровня воды на 7–8 м для выполнения ремонтных работ на верховых откосах плотин Можайского и Колочского гидроузлов экологически негативное явление зарастания акватерритории проявилось особенно сильно. Повышенная внутренняя нагрузка биогенными и растворенными органическими веществами растянулась на несколько лет, что проявилось в упомянутых изменениях химических и биологических характеристик воды вплоть до 2012 г. Степень выраженности особенностей формы чаши водоемов долинного типа различна при сравнении Можайского и Рузского водохранилищ (морфологически простых) с формой морфологически сложных – Озернинского и Истринского, отличающихся наличием более крупных заливов в приустьевых участках долин своих притоков. Эти различия разнотипных 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 масса 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. Эти различия усугубляются и тем, что продольная ось последних совпадает с направлением преобладающих ветров – весной и осенью северо-западного, а летом – юго-восточного. В Озернинском водохранилище таким очагом при благоприятных погодных условиях может быть в приплотинном районе крупный залив в устьевой части долины р. Хлынья, из которого речная водная масса поступает непосредственно к гидроузлу, по-видимому, иногда не полностью перемешанной с основной водной массой этого водохранилища. Кроме того, из-за большей защищенности мелководий от ветроволнового воздействия в заливах морфологически сложных водохранилищ там 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 был стабилизирован уровенный режим. Для увеличения роли макрофитов в ограничении цветения особенно благоприятны очертания Истринского водохранилища, в котором наиболее велик коэффициент удельной длины берега из-за исключительно извилистой береговой линии. Благоприятно для этого и обширное Бычковское мелководье в верхнем районе Можайского водохранилища между с. Мышкино и д. Горки. Термический режим водохранилищ. В Можайском водохранилище по многолетним данным и по модельным расчетам установлен относительно высокий (r=0,6) коэффициент корреляции между биомассой фитопланктона в вегетационный период и средней за этот период температурой воды водохранилища. Влияние жарких периодов на рост первичной продуктивности водоема было подтверждено также модельными расчетами, результаты которых приведены в отчете за предыдущий этап работы. 14 Наиболее важна роль температурного фактора 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. Вспышки в развитии фитопланктона нередко наблюдаются и в сентябре, когда потепление при начавшемся общем выхолаживании вод создает благоприятные световые и еще близкие к оптимальным температурные условия для развития водорослей. В августе и сентябре ветровое перемешивание приводит также к понижению концентрации кислорода у поверхности в результате подъема бескислородных придонных слоев. Явление вертикального перемешивания водной толщи хорошо прослеживается наблюдениями за содержанием кислорода по вертикали. Уникальным в этом отношении был 1996 год, когда в Красновидовском плесе Можайского водохранилища в течение 2 суток (с 22 по 24 августа) содержание растворенного в воде кислорода в поверхностном слое понизилось более, чем в 4 раза (с 240 до 55 % насыщения или с 19,7 до 4,8 мг/л) при снижении температуры водной поверхности с 24,8 до 20,9 °С в результате общего похолодания при слабом северном ветре. 26 августа похолодание еще продолжалось, слой температурного скачка к этому времени опустился с 2 до 6 м, концентрация кислорода в эпилимнионе оставалась в пределах 50% насыщения. В обычные годы снижение в трофогенном слое концентрации растворенного кислорода в результате его смешения с трофолитическим слоем при заглублении слоя скачка плотности бывает менее опасным для вспышек цветения. Его величина непосредственным образом связана с соотношением объемов этих слоев в начале фазы позднелетнего охлаждения и развитием синоптических условий в этот период. Гидрологическая структура водных масс. В настоящее время достаточно ясно, что химический состав и биогенная нагрузка основной водной массы водохранилища может особенно сильно варьировать от года к году в зависимости от соотношения объемов образующих ее исходных масс – зимней, образовавшейся осенью и трансформировавшейся в течение 4-5 месяцев под ледяным покровом благодаря процессам самоочищения, речной зимней, донной зимней, наиболее обескислороженной и насыщенной продуктами регенерации минеральных веществ из разложившегося детрита, в том числе и минеральным фосфором, и речной весенней. Суммарный объем первых трех масс определяется глубиной предвесенней сработки полезного объема водохранилища – чем она больше, тем этот объем меньше. А соотношение в нем объемов составляющих масс зависит от глубины слоя отбора и расхода воды при этой сработке. В периоды снижения расхода до величины санитарного попуска у плотины накапливаются речные зимние воды, поступающие к ней в виде придонного плотностного транзитного течения, а в периоды резкого увеличения расхода в сброс вовлекается больший объем вод. Объем речной весенней водной массы определяется объемом половодья на притоках, вариация которого, как указано выше, возросла в последнее 13-тилетие во всей верхней части москворецкого бассейна. Именно этим сочетанием гидрологических процессов и объясняется межгодовая изменчивость общей (внешней и 15 внутренней) фосфорной нагрузки приплотинных и центральных районов водохранилищ в период весенней вспышки цветения преимущественно диатомовыми водорослями. Во время летнего развития преимущественно синезеленых водорослей колебания фосфорной нагрузки в верхних районах сильно зависит от частоты паводков и их объемов, еще более изменчивых и менее предсказуемых, чем половодья. В центральных и приплотинных районах водохранилищ (за исключением Озернинского), в которые воды летних паводков поступают в исключительно редкие годы (такие как 1962) для Можайского и Истринского водохранилищ), летняя фосфорная нагрузка формируется весной, а затем изменяется внутримассовыми процессами обмена между трофогенным и трофолитическим слоями этой водной массы. Вертикальная структура вод. Для развития водорослей в водохранилищах чрезвычайно важное значение имеет плотностная стратификация водной толщи, усиливающаяся в периоды летней и зимней стагнации придонным плотностным течением. Это течение способствует расширению ареала бескислородной зоны у дна в наиболее глубоких приплотинных районах, из которых сбрасываемые воды поступают в Москву-реку, а затем на водопроводные станции. В анаэробных условиях в водоемах ускоряется регенерация биогенных веществ, усиливающая в последующие периоды весенней и осенней циркуляции, а также летом после шторма цветение водохранилищ. В безледный вегетационный период с усилением ветра возникают в водоемах ветровые течения – дрейфовое в поверхностном слое, вызывающее сгон воды от подветренных участков берега к наветренным, и компенсационное в глубинных слоях, обусловленное ветровой денивеляцией водной поверхности. Однако перемешивание водных масс, вызываемое всеми этими течениями, слабее, чем их вертикальное конвективное перемешивание, возникающее, как и ветровые течения, эпизодически вследствие возникновения гравитационной неустойчивости слоев воды (когда плотность вышележащего слоя оказывается больше плотности подстилающего слоя воды). В разные сезоны вегетационного периода при разной погоде, а также в зависимости от времени суток соотношение вклада перечисленных динамических процессов в перемещение фито-, зоо- и бактериопланктона, детрита и биогенных веществ внутри рассматриваемых экосистем существенно различны. Пространственные неоднородности в распределении фитопланктона отчетливо проявляются в фазе летнего нагревания при доминировании синезеленых водорослей. Синоптической особенностью долгих периодов жаркой погоды служат грозы. Перед их наступлением обычно резкое изменение атмосферного давления, сопровождающееся внезапным порывистым шквалистым ветром. При наступлении ветренной погоды может происходить скопление большого количества водорослей в тех или иных участках водохранилищ вследствие ветрового нагона. Особенно интенсивен фотосинтез фитопланктона в штилевую антициклоническую погоду после сильного и продолжительного шторма у подветренных приглубых берегов, что часто имеет место именно при жаркой антициклональной погоде. В такой сравнительно короткий промежуток времени в пределах каждого плеса водохранилища у участка подветренного берега происходит сгонное понижение водной поверхности, которое восстанавливается апвеллингом – подъемом к поверхности глубинных вод. Они в жаркие периоды стратификации водной толщи в глубоководных районах имеют прозрачную воду, насыщенную углекислым газом и 16 минеральными биогенными веществами, содержащими азот, фосфор, серу и др. в доступной для питания фитопланктона форме. Однако, апвеллинг может сопровождаться крайне негативным явлением – возникновением рыбных заморов. По нашим наблюдениям, в разгар ветреной погоды 23 августа жаркого и маловодного 1996 г. у плотины Можайского гидроузла произошел подъем к поверхности даже гипоксидных глубинных вод с содержанием кислорода менее 30% насыщения, а в наступившую затем солнечную и почти штилевую погоду здесь возник пик максимальной биомассы фитопланктона. Подобное явление наблюдалось в Красновидовском плесе и 7 сентября того же года в прибрежной полосе длиной 100-150 м с прибитой к берегу мертвой рыбой размером до 10 см (плотва, судак, налим, и др.) становящаяся кормом чаек рисунок 2). Рисунок 2 – Погибшая рыба в результате замора в апвеллинге у пос. Красновидово и прибитая нагоном к берегу 30 августа 2010 тоже жаркого года В послегрозовой период в водоеме долинного типа возникает продольная сейша с периодом колебаний всей массы воды, в Можайском водохранилище равным 2 часа 20 минут [2]. В результате, с таким временным интервалом происходит 3-4-хразовая «подкачка» глубинной воды в поверхностный слой с наибольшей амплитудой у плотины Можайского гидроузла и с узловой линией, как показало изучение сейши на физической модели этого водохранилища (продольный масштаб 1:1000), в узости у д. Троица. В глубинной прозрачной, обогащенной биогенной пищей и быстро прогревающейся в жару воде под влиянием солнечной радиации резко возрастает продуктивность фитопланктона. Возникает вспышка «цветения» синезеленых водорослей, образующих очаг расширяющегося пятна повышенной численности и биомассы водорослей. Создается пространственная неоднородность не только фитоценоза, но и зоо- и бактериопланктона, которая наблюдается даже при слабых нагонных ветрах [3]. Полученные результаты характеризуют сгонно-нагонные явления как важный абиотический фактор в экосистеме, усиливающийся в периоды жаркой погоды. Этот фактор необходимо учитывать при анализе состояния фитоценоза и водной экосистемы в целом. Режим регулирования стока гидроузлом. Вследствие отсутствия долгосрочных гидрометеорологических прогнозов притока воды в течение всего года диспетчерской службе Мосводоканала не удается предотвратить снижения эффективности многолетнего регулирования стока в Москворецкой водной системе (оно проявляется в увеличении неравномерности колебаний годового сброса по сравнению с притоком, в участившихся 17 случаях недозаполнения полезной емкости водохранилищ, в увеличении полифазности уровенного режима, в большой вариации размаха колебаний уровня воды и их разнообразии в водоемах системы). Основным фактором в дестабилизации уровенного режима в Можайском водохранилище служит не водный сток питающих водохранилище рек, а режим сработки полезного объема в предшествующий водохозяйственный год и стремление всемерно заполнить частично опорожненную полезную емкость водохранилища в последующий водохозяйственный год. Обе эти причины вызывают рост нестабильности функционирования экосистем москворецких водохранилищ, проявляющейся в усилении пространственной неоднородности состава воды в каждом водохранилище и в увеличении асинхронности развития в них процессов внутриводоемной трансформации химических и биологических компонент водных экосистем. 1.2 Влияние гидрохимических факторов на рост водорослей в водохранилищах систем водоснабжения г. Москвы К гидрохимическим факторам развития фитопланктона в водохранилище следует отнести: - загрязнение вод, - внешняя химическая нагрузка на водоем, - запас биогенных веществ в водоеме, - внутренняя химическая нагрузка. Особенности проявления этих факторов в водохранилищах представляются следующими. Загрязнение вод. Этот фактор рассматривается обычно в плане токсического воздействия на биоту водоемов, т.е. приводит к ингибированию развития водных организмов. При этом токсическое воздействие оказывают вещества как неорганической природы (ионная форма тяжелых металлов), так и органической (нефтепродукты, СПАВы, пестициды и др.). Периодически проводимые Мосводоканалом обследования москворецких водохранилищ, включающие определения токсических соединений, показывают их отсутствие в воде водохранилищ. На водосборах этих водохранилищ нет заметных источников токсических загрязнений, поэтому этот фактор функционирования экосистем москворецких водохранилищ не имеет существенного значения. Относительно высокий уровень антропогенного химического загрязнения характерен для нижних бьефов водохранилищ – для р. Москвы, но и здесь не отмечено ни одного факта ингибирующего влияния токсикантов на развитие планктона в воде реки. Следует заметить, что этот аспект антропогенного влияния относится к числу крайне негативных, т.к. при ингибирующем воздействии на организмы поступающих в воду веществ загрязнений начинается глубокая перестройка всей экосистемы водоеме с непредсказуемыми последствиями для качества воды. Внешняя химическая нагрузка на водоемы. При исследовании процессов функционирования экосистем водоемов важна нагрузка водоема биогенными веществами, включающимися в круговорот вещества и энергии в экосистеме. Большинство биогенных соединений и, в первую очередь, главные (лимитирующие) из них – азот и фосфор – имеют в своем генезисе как природную (ландшафтную), так и антропогенную составляющую. 18 Поэтому, они в определенной степени связаны с загрязнением вод, а, следовательно, могут быть отнесены к частично регулируемым факторам. В водоемах и водотоках, подверженных интенсивному антропогенному загрязнению из минеральных форм азота доминирует аммонийный азот, повыщенные концентрации нитритного азота чаще всего свидетельствуют о свежем органическом загрязнении, поскольку происходит окисление этой формы азота до нитратов, нитратный азот преобладает в чистых водах. Источники минерального азота в природных водах – почвы бассейна, азотные удобрения, применяемые на сельскохозяйственно освоенных землях, но следует заметить, доля минеральных удобрений, достигающих водоемы выше для азота, чем для фосфора, также как и вклад атмосферных осадков в загрязнение водоемов биогенами. Для диатомовых водорослей из биогенных веществ важен еще и кремний, но его более высокая распространенность в почвах и породах исключает лимитирование продукции этим элементом. При исследованиях процесса эвтрофирования фосфору уделяется больше внимания, чем азоту, не только по причине распространенного мнения о его лимитирующей роли, но и по причине более сложного составления баланса фосфора. В лимнологии принято оценивать так называемую площадную нагрузку биогенными веществами на водоем, представляющую собой отношение суммарного поступления массы биогенных веществ с водосбора к общей площади поверхности водохранилища. Этот показатель широко используется в стационарных балансовых моделях эвтрофирования, разработанных Фолленвейдером. По известным диаграммам Фолленвейдера определяется трофический статус водоемов и уровень его первичной продуктивности. Анализ материалов по состоянию водосборных площадей москворецких водохранилищ и, к сожалению недостаточно регулярных наблюдений о концентрации биогенных элементов в притоках водохранилищ указывает на существование определенных различий в величинах их внешней нагрузки. Именно эти различия, по нашему мнению, определяют вполне достоверную разницу в трофическом состоянии водохранилищ. Есть определенные основания считать, что Озернинское и Истринское водохранилища испытывают более высокие нагрузки. Эпизодические наблюдения показывают, что в Озернинском водохранилище особую опасность представляет повышенный приток биогенов с рекой Хлыньей и интенсивное загрязнение залива этой реки, расположенного близко к приплотинному участку. В Истринском водохранилище, помимо более высокой рекреационной нагрузки на экосистему, повышенной нагрузкой характеризуются притоки Нудоль и Катыш, что было установлено при выполнении специальных модельных оценок биогенных нагрузок этих водохранилищ. Внешняя биогенная нагрузка волжских водохранилищ. Биогенная нагрузка водохранилищ канала им. Москвы определяется, главным образом, химическим составом вод Иваньковского водохранилища, т.к. преобладает перекачка воды по каналу им. Москвы, обеспечивающая от 86 до 94% от общего прихода воды в годы различной водности. Остальная часть прихода покрывается притоком с площади водосбора системы водохранилищ, в основном за счет небольших рек, впадающих непосредственно в водохранилища – Клязьма, Уча, Вязь, Какотка, Катешка, в долинах которых эти водохранилища и созданы. Этот приток можно рассматривать как боковой, поскольку основное водное питание водохранилищ осуществляется по каналу. Однако небольшие 19 притоки этих водохранилищ имеют высоко освоенные в хозяйственном отношении водосборы, расположены в густонаселенных районах Московской области, поэтому испытывают значительные антропогенные нагрузки, и, соответственно, их роль в формировании качества воды более существенна, чем в водном балансе. Внешняя химическая нагрузка на водохранилища формируется как с потоком веществ по каналу, так и со стоком химических веществ рек бокового притока. В период половодья приток веществ с боковыми притоками в систему водохранилищ водораздельного бьефа резко повышается, а по фосфатам и аммонийному иону даже превосходит поступление рассматриваемых нами химических веществ с волжскими водами. Наиболее вероятная причина повышения концентраций химических веществ в водах притоков – интенсивный смыв загрязнений с территории бассейна в период таяния снега. 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. Исключение составляют нитраты, максимум вклада которых наблюдается в ноябре. Соотношение рассматриваемых потоков достигает 2-кратных значений для аммонийного азота и фосфатов именно в апреле. Неравномерность внутригодового распределения этого соотношения наиболее ярко проявляется для аммонийного азота – при максимуме 2-кратного соотношения в апреле летом оно падает до нескольких десятых долей. Обращает на себя внимание высокий зимний вынос аммонийного азота, в то время как фосфаты относительно равномерно выносятся с притоками в водохранилища во все сезоны, кроме весеннего. Это объясняется, по-видимому, более высокой скоростью трансформации соединений азота в летний период по сравнению с фосфатами, закономерности водной миграции которых отличаются от таковой для минеральных соединений азота. В летний период роль боковых притоков в химическом балансе водохранилищ снижается для всех рассмотренных показателей, но если для нитратов она меньше апрельской всего в 2 раза, то для фосфатов и аммонийного азота эта разница становится 20-кратной. Летнее уменьшение долей вклада практически по всем показателям связано с уменьшением концентраций загрязнений в летний период. Это уменьшение не компенсируется снижением разбавления загрязнений при меженных расходах воды в реках. Понижение концентраций может быть обусловлено развитием продукционных процессов в реках, а также широким распространением высшей водной растительности в них, играющей для биогенных минеральных соединений роль естественного биофильтра. В зимний меженный период соотношение потоков немного возрастает, а для нитратов и хлоридов становится соизмеримой с весенним вкладом. В зимний период вследствие низких температур заторможены процессы самоочищения, оказывающие заметное влияние на концентрацию органических веществ в природных водах, поэтому влияние притоков на формирование качества воды водохранилищ водораздельного бьефа в этот период выше, чем летом. Для выявления роли отдельных притоков в формировании химического состава воды водоисточника средние концентрации в притоках сопоставлялись со средними концентрациями этих же веществ в канале. Значения такого отношения больше единицы свидетельствуют об увеличении нагрузки водохранилищ по этому веществу в 20 рассматриваемый период, а значения меньше единицы указывают на разбавление вод Иваньковского водохранилища водами притоков водораздельного бьефа. За последние годы произошли существенные изменения гидрологического режима водораздельного бьефа, связанные в большей степени не с гидрологическими факторами, а с изменением интенсивности эксплуатации его водных ресурсов. При сравнении пятилеток 2004-2008гг. и 1990-1994гг. потребление воды на водоснабжение снизилось на 35%, обводнение рек – на 20%, судоходство – на 14% (а по сравнению с 80-ми годами – на 30%), перекачка волжской воды – на 27%, внешний водообмен – на 30%. При этом межгодовые изменения боковой приточности происходили в соответствии с гидрометеорологическими условиями года и не имели ярко выраженных тенденций. В условиях снижения перекачки волжской воды, роль боковых притоков водохранилищ водораздельного бьефа усиливается, а качество воды водохранилищ в соответствии с этим будет ухудшаться. Это иллюстрируется существованием четко выраженной тенденции к увеличению в эти годы такого уже рассмотренного нами соотношения средних концентраций в притоках и в канале. Запас биогенных веществ в водоеме. Прямые связи между содержанием фосфора и уровнем биомассы в водохранилищах хорошо проявляются только для валовой формы фосфора. Систематические данные о концентрациях валового фосфора в москворецких водохранилищах отсутствуют. По измеренным в отдельный момент времени концентрациям ортофосфатов очень трудно судить об истинном лимитировании водорослей биогенным питанием из-за высокой оборачиваемости этого элемента. Кроме того, известная способность фитопланктона создавать внутриклеточные запасы фосфора не позволяет считать лимитированным процесс фотосинтеза даже при аналитическом отсутствии минерального фосфора в воде водоема. Вместе с тем, роль запасов биогенных веществ в водоеме в процессе развития цветения вполне очевидна. От общего их запаса в водоеме зависит интенсивность внутренней нагрузки, формирующейся в процессе круговорота фосфора при разложении органического вещества и детрита в водной толще водоема. При исследованиях процесса эвтрофирования было показано, что важнейшее значение для уровня развития фитопланктона в вегетационный период играет запас биогенных веществ в водной массе водохранилища, сформировавшийся в результате его весеннего наполнения. Для установления подобной связи можно воспользоваться и концентрациями минеральных соединений азота и фосфора, поскольку в момент наполнения водохранилища биологические процессы еще недостаточно активны и значения концентраций биогенных веществ дают определенное представление об общем их запасе в водохранилище в предвегетационный период. Для москворецких водохранилищ эта связь на примере ортофосфатов показана на рисунке 3. 21 0,3 Фосфаты, мг/л 0,25 0,2 0,15 R2 = 0,2508 0,1 0,05 0 0 100000 200000 300000 400000 500000 Численность фитопланктона, кл/мл Рисунок 3 – Связь численности фитопланктона в москворецких водохранилищах в августе со средними концентрациями фосфатов в них в апреле Эта связь оказалась относительно слабой по причине большой пространственновременной дискретности измерений как численности фитопланктона, так и концентрации фосфатов в эти месяцы. Однако статистическая достоверность такой связи указывает на необходимость детального изучения процесса формирования запаса фосфора в водохранилищах в весенний период с целью прогностических расчетов развития фитопланктона в предстоящий летний период. Внутренняя химическая нагрузка. Под внутренней химической нагрузкой водоема понимают вынос химических веществ из донных отложений. Этот вид нагрузки в отдельные периоды может существенно влиять на изменение запаса биогенных веществ в водоеме. В настоящее время достоверно установлено, что интенсивность выноса химических веществ сильно зависит от кислородного режима водоема, в частности от содержания кислорода в придонном слое. В анаэробных условиях в придонном слое скорости выноса возрастают на порядок. В свою очередь, кислородный режим водоема зависит от гидрологических условий, в первую очередь от вертикальной плотностной стратификации водной массы. Появление и усиление температурного скачка приводит к увеличению роли донных отложений в распределении фосфора по вертикали, что повышает вертикальные градиенты концентраций. По наблюдениям, проведенным в июле, специальными балансовыми расчетами изменения массы минерального фосфора в гиполимнионе Красновидовского плеса Можайского водохранилища удалось количественно оценить интенсивность выноса фосфора из донных отложений. При оценках внутренней нагрузки прямые экспериментальные измерения возникающих из донных отложений потоков применяются чаще, чем балансовые расчеты. Для балансовых расчетов требуется большой массив данных измерений содержания фосфора в различных слоях с короткопериодной дискретностью. Однако если решать эту задачу для обособленного небольшого плеса водохранилища в отсутствии существенных адвективных потоков, то она существенно упрощается. В условиях стратификации придонный слой можно считать изолированным и по изменению запаса фосфора в нем можно оценить величину потока фосфатов из донных отложений. Комплекс детальных наблюдений, 22 проведенных на Красновидовском плесе Можайского водохранилища позволил провести такую оценку, ее результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 – Изменение запасов минерального и общего фосфора (РМФ и ОФ) в гиполимнионе Красновидовского плеса и удельный вынос фосфора из донных отложений Изменение Удельный Среднесуточный запас среднесуточного запаса вынос фосфора, кг фосфора между фазами, кг Период фосфора, общий общий ортофосфаты ортофосфаты мгР/(м2сут) фосфор фосфор 27.06 – 29.06 28.1 38.3 -0.2 7.5 -0.2 30.06 – 5.07 27.9 45.8 3.7 8.2 5.0 06.07 – 08.07 31.6 54.0 18.1 18.0 23.0 09.07 – 14.07 49.7 72.0 По результатам проведенных расчетов установлено, что анаэробном гиполимнионе при жаркой антициклональной погоде интенсивность потоков минерального фосфора из донных отложений резко (более чем в 4 раза) возросла по сравнению с ситуацией в течение холодной погоды в предшествующем эксперименту циклоне. Таким образом, синоптическая ситуация нал водоемом представляется одним из важнейших факторов, контролирующих изменение интенсивности внутренней нагрузки водохранилища минеральными формами биогенных веществ. Выводы раздела - К основным факторам гидрологического режима, оказывающим влияние на продукционные процессы в водохранилищах при наступлении погодный аномалий в вегетационный период относятся: формирование вертикальной структуры водных масс, режим управления гидроузлом и колебания уровня воды в этот период. - Из гидрохимических факторов постоянное и общее значение имеет величина внешней биогенной нагрузки, а в периоды наступления аномально жаркой погоды в вегетационный период резко усиливается значение внутренней биогенной нагрузки. 23 2 Оценка возможностей управления гидрохимической и гидробиологической обстановкой в водохранилищах Практические мероприятия по предотвращению развития фитопланктона всегда привлекали специалистов по эксплуатации регулируемых водных объектов, поскольку необходимость сохранения качества воды была и есть одна из главных задач водохозяйственного управления. Эвтрофирование водоемов имеет уже немалую историю, постоянно обогащаемый опыт управления цветением уже можно попытаться обобщить. В общем случае все усилия практиков направлены на ослабление процессов интенсивного фотосинтеза, но при этом необходимо иметь в виду, что всегда целесообразней не стремиться полностью подавить этот процесс, а стараться поддержать его на некотором определенном уровне. Это уровень должен соответствовать требованиям качества воды и в то же время обеспечивать необходимую интенсивность процессов микробиологического самоочищения водоемов. Как известно, мезотрофные водоемы служат более эффективным барьером на пути органических загрязнений, чем олиготрофные. Весь комплекс мер борьбы с эвтрофированием можно разделить на мероприятия на водосборе и мероприятия в самом водоеме (рисунок 4). Меры борьбы с эвтрофированием Мероприятия в водоеме Мероприятия на водосборе Регулиров ание антропогенных источников биогенных в еществ на в одосборе Регулиров ание притока биогенных в еществ в в одоем Понижение способности экосистемы в одоема к фотосинтезу Удаление биогенных в еществ из в оды в одоема Изменение биологической структуры экосистемы в одоема Регулиров ание биогенной нагрузки Рисунок 4– Схема методов регулирования процесса эвтрофирования в водоемах 2.1 Роль водосбора в управлении процессами в экосистемах Мероприятия на водосборе в основном направлены на уменьшение внешней биогенной нагрузки путем ограничения поступлений их из антропогенных источников. Точечные источники загрязнений относительно легко поддаются контролю и для борьбы с ними достаточно ужесточения водоохранных мер. Значительно сложнее контролировать поступление биогенных веществ из рассеянных источников, к которым относятся стоки с селььскохозяйственных полей и признаваемые одними из самых существенных источников загрязнения – стоки с животноводческих комплексов. Но и в этом случае возможности водоохранного контроля существуют, например в контроле за соблюдением агротехнологий внесения удобрений и эксплуатации животноводческих комплексов. Однако, даже в случае крайне активных и эффективных водоохранных мероприятий оказывается, что достигаемое снижение внешней биогенной нагрузки не приносит желаемого результата. Это происходит по следующим причинам. Во-первых, во многих, 24 особенно глубоких водоемах, полноценной альтернативой внешней биогенной нагрузки становятся донные отложения. Снижение концентраций биогенов в воде усиливает градиент концентрации между водой и донными отложениями и усиливает диффузионный поток биогенов из последних. Особенно это заметно в гиперэвтрофных водоемах, где большой запас автохтонной органики способствует быстрой регенерации биогенных веществ из донных отложений, способных поддержать на высоком уровне продуктивность водоема. Например, в озере Бартон Броад в Англии, с водосбора которого удалось снизить поступление фосфора в 7 раз, концентрация фитопланктона сохранялась на высоком уровне еще в течение более 10-ти лет [4]. Аналогичная ситуация наблюдалась и при попытке восстановить ряд озер в Дании [5]. Второй причиной может быть изменение соотношения биогенных веществ, т.к. изменение этого соотношения даже при снижении концентрации может не изменить высокую продуктивность экосистемы [6]. Поэтому мероприятия на водосборе всегда целесообразно оценивать регулярным контролем за тенденциями развития экоситемы водоема. 2.2 Мероприятия по регулированию процессов в водохранилищах Мероприятия по удалению биогенных веществ из водоема. Снижение концентрации биогенных веществ в водоеме всегда становится причиной лимитированя процесса первичного продуцирования органического вещества в экосистеме. Этого снижения можно добиваться прямым или косвенным методом регулирования гидрохимического режима водоема. Осаждение минерального фосфора в водоеме коагуляцией. Коагулирование фосфора в водоемах применяется уже достаточно давно. Применение с этой целью сульфата алюминия принесло ощутимые результаты на некоторых небольших шведских и американских озерах [7, 8, 9]. Однако необходимо иметь в виду, что это довольно дорогой метод и его стоимость оценивается в пределах 1000-3000 долларов на гектар площади водоема [10]. И все же этот, казалось бы простой метод, не свободен от недостатков. Во-первых, сульфат алюминия может понижать рН воды, с соответствующими последствиями. Во-вторых, мало внимания при применении коагулянтов уделяется их влиянию на водные организмы, хотя это влияние особенно на мелкие их формы может оказываться губительным [11]. Коагулирование можно применять в притоках сохраняемого и защищаемого озера или водохранилища [12] или с целью изменения окислительно-восстановительной обстановки в донных отложениях водоема. Для последней цели чаще применяют нитраты или соли железа [4, 13]. Понижение потребления кислорода в донных отложениях можно достичь стимуляцией процесса денитрификации в илах в результате их насыщения нитратом кальция. Эта технология принесла интересные положительные результаты [13], но впечатляет стоимость мероприятия – 40 000 долларов на гектар. Удаление верхнего слоя донных отложений. Внутриводоемный источник биогенов можно попытаться удалить прямым удалением самих донных отложений. Такие очистки нередко можно встретить среди мероприятий по восстановлению, очищению небольших декоративных водоемов, поскольку вместе с источниками донных отложений удаляются и загрязнения, накапливаемые в них. Недостатки этого метода очевидны: его применение ограничено небольшими глубинами (возможностями техники, земснарядов), неизбежному 25 ущербу сложивщимся биоценозам донной фауны, методо довольно дорог. Тем не менее, примеров успешного применения очистки небольших озер в Швеции и Дании земснарядами немало [14]. Кроме того, применяя удаление донных отложений необходимо иметь в виду, что эта мера будет иметь временный эффект, если не ограничить внешнюю биогенную нагрузку на водоем. Донные отложения можно попытаться не удалять, а экранировать, например, слоем глинистых отложений, что дешевле, но также с малопредсказуемым эффектом. Все эти прямые методы удаления биогенов характеризуются высокой дороговизной, необходимостью сложных технических решений и не всегда достигают желаемого результата. Но применительно к малым декоративным водоемам они нередко оказываются весьма полезными. Дестратификация водоема. К одному из наиболее распространенных методов улучшения экологического состояния водоемов следует отнести аэрацию придонных слоев водоема. В этом случае увеличением содержания кислорода достигается цель снижения диффузионных потоков биогенных веществ из донных отложении путем изменения окислительно-восстановительной обстановки среды. Дестратификация водоема и аэрация гиполимниона может быть реализована либо механическим методом – прямым механическим перемешиванием воды в слое скачка – либо закачиванием воздуха в придонные слои. Разнообразие технических решений и в том и в другом случае достаточно велико, но для закачки кислорода чаще всего используют трубы, например в Великобритании водохранилища систем водоснабжения Лондона почти все оборудованы такими пневматическими трубами [15]. Обзор конструкций аэраторов и технико-экономическое обоснование их применения можно встретить в работах А. Фаста и М. Лоренцена, Клаппера [16, 17, 18]. И все же несмотря не распространенность этого метода, в результате его применения немало случаев увеличения интенсивности цветения водоемов за счет поступления питательных веществ в биологически активный эпилимнион. По статистике снижение продуктивности наблюдается лишь в 65% аэрированных озер [19], а среди негативных эффектов отмечены даже заморы рыб в результате пересыщеняи воды азотом [20]. Негативных ситуаций при аэрации можно избежать, аэрируя гиполимнион без разрушения слоя скачка или применять аэрирование фотического слоя эпилимниона [21, 22]. И все же в литературе немало примеров успешного применения метода аэрации не только в небольших городских озерах, но и в более крупных водных объектах, например водохранилища системы водоснабжения в Голландии [23, 24, 25, 26, 27, 28]. Эффективна аэрация оказалась и таком крупном (объем 235 млн м3 – соизмеримом с водохранилищами систем водоснабжения г. Москвы) водоеме, как водохранилище Качума в Калифорнии [29]. Влияние дестратификации водоема проявляется, как правило, не сразу и, к сожалению, редко в исследованиях последствий применения аэрации проводятся корректные оценки снижения интенсивности развития водорослей в водоеме, что и является целью борьбы с эвтрофированием водоема. Иногда указывается, что аэрация эффективна только при больших концентрациях фитопланктона (более 30 мг/л), т.е при очень уж обильном цветении [23]. Не следует забывать, что аэрация в рыбоводных прудах помимо влияния на состояние экосистемы еще и благотворно влияет на ихтиофауну, что повышает рекреационную привлекательность водоема. Ну и к факторам, ограничивающим применение 26 аэрации следует отнести дороговизну метода – по оценкам Петерсона [27], средние годовые затраты на аэрирование 1 га поверхности водоема составляют 5000 долларов. Изменение проточности водоема. Увеличение проточности водоема часто считают панацеей от его эвтрофирования. Не вдаваясь в теоретическое обоснование этого достаточно спорного тезиса (известно, что многие реки интенсивно цветут и даже больше, чем водоемы), следует подчеркнуть, что изменение водообмена водоема всегда связано с изменениями водных ресурсов в водохозяйственной системе, т.е. с гидротехническими преобразованиями. Эта весьма эффективная мера может осуществляться только на регулируемых объектах – водохранилищах. В любом случае влияние изменения водного режима на продукционные возможности экосистемы водоема требует надежного теоретического обоснования, которое очень редко приводится в специальной литературе по причине слабой изученности связи влияния гидрологических факторов на функционирования экосистем водоемов. Понижение способности системы к фотосинтезу. Наиболее просто снизить интенсивность фотосинтеза непосредственным удалением самих водорослей. Удаление биомассы водорослей механическими методами Для удаления водорослей могут быть применены гидромеханические агрегаты. В литературе приводятся сведения о выдаче более 4-х десятков патентов установок из различных стран [30]. Большой опыт сбора фитопланктона накоплен в Институте гидромеханики Украины. В интенсивно цветущих днепровских водохранилищах неоднократно применялись попытки масштабного сбора микроводорослей различными способами. Весь это опыт привел к выводу, что относительно рентабельное изъятие фитопланктона из водоема возможно только при средних биомассах более 10 мг/л, что наблюдается только в гиперэвтрофных водоемах или кратковременно в период ветровых сгонов синезеленых. Если биомасса меньше 10 мг/л, необходимо предварительное концентрирование фитопланктона, которое осуществить технически сложно. Удаление высшей водной растительности. Скашивание макрофитов – очень распространенное мероприятие по регулированию продуктивности водоемов. При этом применяются специальные косилки, конструкции которых весьма разнообразны и разрабатываются как в России, так и в зарубежных странах. Однако, очевидно, что этот метод эффективен в мелководных водоемах, поскольку на больших глубинах при скашивании погруженных растений удаление биомассы невелико. Рассматривая влияние регулярного удаления макрофитов на фитопланктон, следует отметить случаи положительного эффекта (снижение концентраций хлорофилла в водоеме) [31], но приводятся в литературе и отрицательные результаты [27]. Применение альгицидов для подавления роста фитопланктона. Это очень действенный способ борьбы с цветением водоемов, но совершенно неприемлемый при использовании в источниках водоснабжения, т.к. при применении различных соединений экосистеме водоема наносится глубокий непоправимый ущерб. Применяется это метод, обычно, в технических водоемах, где подавление биоты важнее токсичности воды. Правда в литературе имеется пример применения сульфата меди для подавления развития фитопланктона в питьевом водохранилище, но и в этом случае отмечены негативные последствия для бентоса водоема [32]. Уничтожить водоросли можно вселением вирусов, но 27 и в этом случае потенциальная опасность, как для экосистемы, так и для использования воды велика [33]. Искусственное изменение условий освещенности в воде. Следует упомянуть еще об одном методе, относящемся к разряду экзотических, – использование затенения для подавления фотосинтеза. Для очень маленьких водоемов это вполне возможно [34]. Интереснее рассмотреть возможности искусственного изменения коэффициента экстинкции воды и тем самым уменьшения количества проникающей в воду радиации, необходимой для фотосинтеза. Это можно сделать путем введения в воду специальных окрашенных веществ, например желтого тетразина, резко увеличивающего рассеивание света в воде. Случай применения окрашивающих веществ описан в [35]. Интересный способ предлагался в свое время А.В. Францевым для водохранилищ – источников московского водоснабжения [36]. Искусственное взмучивание донных отложений по его мнению приведет не только к понижению способности к фотосинтезу, но и будет способствовать коагуляции фосфатов в водоеме. Однако, способ взмучивания им не предлагался, кроме того отрицательные последствия резкого взмучивания взвесей как для биоты, так и для экосистемы в целом не анализировался. Тем не менее, этот метод, по нашему мнению, заслуживает внимания, поскольку исследованиями установлено положительное влияние мутности на самоочищающий эффект в водохранилищах системы водоснабжения г. Москвы. Биоманипуляция. Воздействие на структуру трофических цепей. В практике направленного воздействия на экосистему водоема с целью регулирования процессов в ней методы биоманипуляции занимают особое место, т.к уже давно находятся в центре внимания лимнологов. Заманчивые попытки влиять на развитие фитопланктона и качество воды водоема таким относительно дешевым способом, как вселение пранктоноядных рыб, применялись уже давно[37]. В этом случае усиливается влияние зоопланктона на фитопланктон и подавляется развитие последнего. Последствия такого каскадного манипулирования в природных водоемах наиболее полно проанализировал М.И. Гладышев [38, 39, 40], который установил достаточно много причин разобщения в казалось бы стройной концепции пищевых взаимодействий. В то же время имеется немало примеров прямого положительного эффекта вселения растительноядных рыб, питающихся непосредственно фитопланктоном. Обзор этих успешных реализаций [41] позволил сформулировать их условия, а именно: минимум мезотрофное (а лучше эвтрофное) состояние водоема, его мелководность, постоянный контроль за численностью ихтиофауны, периодическая смена способа регулирования (вселяемых видов). Детальным примером применения методов биоманипуляции служит широкий опыт восстановления оз. Вашингтон, описанный известным лимнологом-практиком У. Эдмонсоном [42]. Понижение первичной продуктивности этого озера было достигнуто вследствие развития крупных дафний и исчезновения доминирующей водоросли. Увы, это регулирование произошло случайно, и найти путь к его повторению пока не удалось. Данный пример биогерулирования только усилил и без того бурные дискуссии по поводу эффективности методов вселения биоты с целью регулирования качества вод [43]. Опыт вселения растительноядных макрофитных рыб использовался на ирригационных каналах бывшего СССР, а также в бывшей ГДР, где создавались бассейны на подогретых водах для 28 выращивания мальков растительноядных рыб [44]. Необходимо подчеркнуть, что применение методов уничтожения макрофитов путем вселения рыб нередко связано с привлекательностью получения дополнительной рыбопродукции, поэтому существует относительно мало серьезных анализов последствий вселения для снижения уровня цветения водоемов. Теоретически под биоманипуляцией можно понимать и развитие посадок макрофитов в водоемах. Идея такого воздействия основана на внедрение в экосистему водоема конкурентов фитопланктона, какими являются высшие водные растения. Макрофиты, развивающиеся в устьях притоков, могут служить мощным эффективным биоплато для поступающих с речным стоком биогенов [45]. Отмечается, что макрофиты могут служить ключевым звеном в системе трофических связей в водоемах [39]. Проблема здесь состоит в том, что речь должна идти не о вселении макрофитов, а об их культивировании, т.е. о постоянном скашивании, в противном случае в водоеме со временем начнут образовываться сплавины, явно отрицательно влияющие на качество воды. Как видно из приведенного краткого обзора внутриводоемных мер, небольшое их количество оказываются реально эффективными и однозначными, даже без учета финансовых затрат на их осуществление. Причина в том, что цветение водоемов – это биогеохимический процесс, осуществляющий крупномасштабную утилизацию солнечной энергии в крупных каскадах водохранилищ, соизмеримый с техногенной выработкой электроэнергии на ГЭС [46]. Для крупных водохранилищ – источников водоснабжения реально применение только трех методов регулирования качества воды, связанного с управлением процессом первичного продуцирования: - селективный сброс вод в нижний бьеф, - создание предводохранилищ, - реконструкция водоемов в полисекционные водоемы. Селективный сброс вод. Селективный сброс вод возможен только в водохранилищах с многоуровенными отверстиями в плотине. В озерах глубинные воды могут быть отведены из водоема только сифонированием, хотя этот метод нашел применение в регулировании содержания биогенных веществ в этих водных объектах [47]. Учитывая, что практически все гидроузлы осуществляют сброс воды в нижний бьеф из, как минимум, 2-х уровней (поверхностный и глубинный водосбросы), понятна привлекательность этого метода. Управление качеством воды сбросами имеет несомненные преимущества в простоте и дешевизне. Глубинными сбросами достигаются: уменьшение степени гипоксии в придонных слоях, нарушение стратификации по крайней мере в прилотинном участке водохранилища, уменьшение концентраций фосфора в приплотинном участке, регулирование температуры воды в реке в нижнем бьефе. При отсутствии химической и кислородной стратификации в водоеме применение селективности сбросов становится нецелесообразным. Как показывают гидравлические исследования, толщина слоя воды поступающий в водосбросное отверстие определяется устойчивостью водной массы, расхода воды на сброс, глубины расположения отверстия [15, 48]. Степень селективности сброса, а следовательно, и качество воды в нижнем бьефе можно рассчитать по данным о распределении плотности воды и расходе воды. Как 29 стратификация, так и селективность сброса в глубоких водохранилищах отмечается и в летний и в зимний периоды [1, 49]. Важно, что при селективном сбросе могут возникнуть противоречия и улучшение качества воды в верхнем бьефе вызовет ухудшение его в нижнем, где могут ощущаться ярко выраженные гнилостные запахи. Отрицательное влияние в виде образования тумана на нижний бьеф оказывают сбросы глубинных теплых вод зимой. На водохранилище Гранжет (Франция), плотина которого имеет несколько отверстий для сброса воды, было проведено специальное исследование влияния селективности сбросов на качество воды водохранилища [50]. Моделированием температурного и кислородного режима водохранилища удалось показать, что влияние глубинных сбросов воды прямо зависит от периода водообмена водохранилища и обратно – от биогенной его нагрузки. Подобное моделирование проводилось и для водохранилищ москворецкой системы [51]. Однако моделированием в Можайском и Истринском водохранилищах было показано, что колебания параметров качества воды не очень чувствительны к колебаниям расходов воды через плотину и отмеченные изменения в качестве воды не прослеживались далее приплотинного расчетного отсека. Таким образом, в рассмотренных водохранилищах (а с большой долей уверенности можно сказать, что и в других подобных Можайскому водохранилищах москворецкой системы) селективность сбросов для регулирования продукционных процессов и развития фитопланктона малоэффективна. На Истринском водохранилище был реализован специальный эксперимент натурных наблюдений и модельных расчетов в широком диапазоне сбросных расходов воды через глубинный водовод [52]. Никакими сбросами через галереи ГЭС не удалось достигнуть разрушения слоя плотностного скачка в водохранилище. Глубинными сбросами можно оказать реальное воздействие на качество воды в нижнем бьефе гидроузла, что представляет существенный интерес для практики регулирования качества воды, но не имеет отношения к регулированию продукционных процессов в верхнем бьефе. Предводохранилища. Предводохранилища – небольшие водоемы, создаваемые на притоках основных водохранилищ (чаще всего водохранилищ – источников водоснабжения) с целью осаждения в них биогенных и органических веществ, поступающих с водосбора основого водохранилища. Опыт строительства и эксплуатации подобных предводохранилищ имеет уже значительную историю. Наиболее развито создание предводохранилищ в Германии [31, 53], но имеется опыт использования подобного метода защиты экосистем водоемов в Чехии [53], Дании [54], Англии [55], Южной Африке [56], США [57]. Накопленные данные исследований немецких лимнологов и гидрологов позволили разработать принципы расчета и проектирования этих водоемов и обосновать их эффективность в снижении внешней нагрузки основного водохранилища [31]. Влияние предводохранилищ на снижение внешней нагрузки проявляется двояко. Во-первых, в нем при замедлении стока осаждаются взвешенные и сорбированные потенциально опасные фосфаты. Во-вторых, развивающееся в предводохранилище цветение фитопланктона способствует интенсивному поглощению биогенов с последующим их осаждением с отмирающими водорослями на дно водоема. Таким образом, в водохранилищах удаляется не только легко сорбирующийся фосфор, но и обычно хорошо растворимый азот. Наиболее эффективно удаление биогенов при цветении диатомовых 30 водорослей, для которых характерны более высокие скорости седиментации, чем для летних зеленых и синезеленых. Важным аспектом регулирования стока предвоодоххранилищами следует считать возможность широкого экспериментирования в применении описанных выше методов в предводохранилищах. Например, в предводохранилищах можно легко применять разнообразные методы биоманипуляции, превращая их в своеобразные лаборатории по исследованию процессов биорегулирования. Наконец, в предводохранилищах, обычно мелководных водоемах, можно применять посадки макрофитов, периодическое удаление донных отложений и даже коагуляцию фосфора солями железа. При расчете параметров предводохранилища необходимо найти оптимальные величины его размера и коэффициента водообмена. Расчет эффективности уменьшения фосфорной нагрузки на основное водохранилищt впервые разработан немецкими специалистами и многократно применялся на водохранилищах Германии [53]. Согласно этой методике объем водохранилища (при стремлении к минимальному) определяется по времени пребывания воды в водохранилище, которое в свою очередь, оценивается по скорости роста водорослей, т.е скорость роста фитопланктона должна превышать скорость водообмена. Экспериментально определенная зависимость скорости осаждения фосфатов от коэффициента водообмена позволяет провести оценку эффективности его осаждения в предводохранилище. Удаление азота по этой методике оценивается не модельно, а по соотношению азота и фосфора в клетках водорослей. Эта методика неоднократно проверялась на предводохранилищах Германии и надежно верифицирована по данным фактических наблюдений. Эффективность удержания фосфора в предводохранилищах, естественно, максимальна в вегетационный период при времени водообмена в водохранилищах от 0,5-12 суток. Низкие значения времени пребывания в предводохранилищах связаны с небольшими их размерами, что важно при строительстве и, главное, для затопления земель. Для защиты основного водохранилища можно создавать не одно, а несколько предводохранилищ на различных притоках водохранилища. Детальное исследование влияния комплекса предводохранилищ на баланс фосфора в небольшом водохранилище в Германии (Гробе Данн) проведено В. Шарфом. В результате расчетов установлено, что эффективность удержания фосфора в предводахранилищах достигает 55%. Общий фосфорный баланс водохранилища иллюстрируется рисунком 5. Главный недостаток создания предводохранилищ – необходимость затопления земель в речной долине, с вытекающими последствиями в виде болезненных проблем переселения людей, сноса хозяйственных построек и т.д. Многократно усиливаются эти проблемы в густонаселенных местностях, какими и являются обычно районы расположения водохранилищ питьевого назначения крупных городов. 31 Приток: 1782 кг (100%) -426 кг (23%) Сброс в н/б -416 кг (22%) -940 кг (55%) Седиментация в водохранилище Седиментация в предводохранилище Рисунок 5 – Схема баланса общего фосфора в водохранилище Гробе Данн (Германия) [58] В Германии предводохранилища предусматриваются еще на стадии проекта основного водохранилища. Однако, радикальным методом, решающим защиту основного водохранилища от внешней биогенной нагрузки, может быть реконструкция уже существующих водохранилищ в полисекционный водоем. Методология создания и эффективности «работы» таких водоемов излагается в нашем отчете в следующем разделе. 2.3 О возможностях управления экологическими процессами в водохранилищах систем водоснабжения г. Москвы На основе приведенного обзора методов практического воздействия на экосистемы водоемов целесообразно провести оценку их применимости в практике эксплуатации водохранилищ москворецкой и волжской систем водоснабжения г. Москвы. Мероприятия на водосборе ограничиваются, как правило, организацией строгого контроля за соблюдениям существующих сформулированных в различных нормативных документах правил и норм хозяйственной деятельности на территориях водосборов водохранилищ. В ОАО «Мосводоканал» соответствующая служба по контролю источников загрязнений существует уже много лет. Эта служба включает как инспекционный, так и лабораторный контроль за потенциальными источниками загрязнения на территории водосбора. При несомненной полезности этой службы количественно оценить ее эффективность не представляется возможным. Для такой оценки необходима количественная оценка всех звеньев следующей цепи: источник загрязнения – степень влияния на водоток – роль водотока в общей нагрузке на водоем – отклик экосистемы на изменение внешней нагрузки – изменение гидрохимической и гидробиологической обстановки в водохранилище в результате экосистемных изменений – изменение параметров качества воды в нижнем бьефе водохранилищ – изменение параметров качества воды во входных створах водопроводных станций. Первые три ступени этой схемы в принципе могут быть рассчитаны относительно простыми балансовыми методами при наличии соответствующей информации о: - нестационарности воздействия, - водном режиме принимающего загрязнения водотока, - режиме качества воды принимающего водотока. 32 В полной мере эта информация редко оказывается в распоряжении контролирующей службы, поэтому специальные расчеты влияния источника загрязнений не проводятся. Впрочем и необходимость в таких расчетах невелика, поскольку количественные оценки остальных звеньев предложенной выше цепи встречают большие теоретические трудности. Для оценки отклика экосистемы водохранилища на изменение внешнего воздействия необходимо знание особенностей функционирования экосистемы, которое может быть достигнуто многолетними комплексными исследованиями объектов. Целью подобных исследований является построение адекватной модели экосистемы, на основе которой только и можно провести количественные оценки отклика. Также модельными исследованиями можно выявить изменения в гидрохимическом и гидробиологическом режимах водоема и, соответственно, изменения качества воды при трансформации речного стока. При наличии модели такие расчеты можно проводить без информации о фактических изменениях нагрузки, используя различные сценарии изменений нагрузки по причине как антропогенного, так и природного воздействия. В этом случае расчеты будут существенной помощью в выработке направлений деятельности упомянутых контролирующих служб. В настоящее время в ОАО «Мосводоканал» накоплено уже много информации об источниках загрязнений на водосборах систем водоснабжения. Эти водосборы расположены в основном на территории Московской области, население которой в летний период стремительно увеличивается и на смену традиционным источникам загрязнений в виде поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и животноводческих ферм пришли источники в виде сбросов коммунальных вод многочисленных коттеджных и дачных поселков. Несмотря на совершенствование методов очистки систем канализации отдельных поселков и строений, этот источник загрязнений в настоящее время рассматривается как один из основных на территориях водосборов. Более значимую роль он играет на территориях водосборов москворецких водохранилищ по следующим причинам: - эти территории значительно больше, чем водосборы волжских водохранилищ, - роль водосбора в москворецких водохранилищах гораздо выше, чем в питающихся водой Иваньковского водохранилища небольших волжских водохранилищах, - в водохранилищах многолетнего регулирования с невысокой проточностью последствия изменений биогенной нагрузки выше, чем в высокопроточных водохранилищах волжской системы, - базовое водохранилище волжской системы – Учинское – имеет крайне незначительную площадь собственного водосбора и строго охраняется в санитарном отношении. Таким образом, возможности управления экосистемами водохранилищ посредством мероприятий на водосборе могут быть оценены путем проведения скоординированных расчетов с использованием обобщенной информации соответствующих служб ОАО «Мосводоканал» и по моделям гидрологического режима и функционирования экосистем водохранилищ волжской и москворецкой систем водоснабжения. Большинство мероприятий в водоеме, направленных на регулирование гидрохимической и гидробиологической обстановкой относятся к числу высокозатратных и зависят от размеров водоема. В первую очередь следует полностью исключить из возможностей применения в практике управления водоемами – источниками коммунального водоснабжения все существующие мероприятия, связанные с внесением химических 33 соединений в воду водоема. В вышеприведенном обзоре к таки мероприятиям относится проведение искусственного коагулирования биогенных веществ (в первую очередь фосфора) в водоеме и подавление цветения водоема с применением альгицидов. Даже при допустимой безвредности применяемых химикатов (например, сульфат алюминия) последствия нарушений геохимической обстановки в водоеме могут быть непредсказуемыми. Из-за технических проблем невозможно проведение таких мероприятий как удаление или экранирование донных отложений. Наибольшую опасность в виде внутренней нагрузки представляют серые илы, занимающие наиболее глубоководные части водохранилищ. Глубины как москворецких, так и волжских водохранилищ не позволяют использовать обычную технику удаления илов, применение же специальных средств делает эту меру явно нерентабельной. Одно из наиболее распространенных мероприятий по регулированию экологического состояния водоемов – дестратификация – также нереально использовать в масштабах водохранилищ водоснабжения г. Москвы. Механическое аэрирование гиполимниона в водохранилищах объемом сотни миллионов кубических метров потребует столь значительных затрат энергии, что эффект улучшения качества воды ни при каких условиях не компенсирует этих затрат. К тому же, как отмечено в вышеприведенном обзоре, эффекты масштабных аэраций не всегда оказываются положительными в силу различных причин. Альтернативой механической аэрации может служить так называемая пузырьковая аэрация, технология которой разрабатывалась в некоторых странах, где проблема эвтрофирования водоемов стала особенно острой. Но и в этом случае с малопредсказуемым эффектом придется идти на значительные материальные затраты с явной потерей рекреационной привлекательности водохранилищ. Таким образом, дестратификация путем аэрации водоема – мероприятие, которое не может найти применение в практике эксплуатации водохранилищ – источников московского водоснабжения. Одним из самых простых и дешевых способов регулирования гидрохимического и гидробиологического режима водохранилищ следует считать изменение водного режима путем корректировки режима регулирования стока гидроузлом. Это путь управления качеством воды имеет в источниках водоснабжения г. Москвы наибольшую перспективу. Возможности его использования резко возросли с заметным уменьшением подачи воды в город, в связи с чем появилась возможность более свободного регулирования компенсированной подачи воды из четырех водохранилищ москворецкой системы. Целенаправленная сработка водохранилища или ее сдерживание может заметно изменять интенсивность и характер внутреннего водообмена в водохранилище. В свою очередь изменение структуры водных масс неизбежно ведет к изменению полей гидрохимических веществ и биомасс гидробионтов в водохранилище, т.е. к изменению качества воды в водоеме. В настоящее время регулирование стока гидроузлами москворецких водохранилищ регламентируется правилами эксплуатации гидроузла. Совершенно очевидно, что в условиях явного избытка имеющихся водных ресурсов (особенно в многоводные годы) даже в рамках этих правил можно свободно варьировать сбросами из отдельных водохранилищ в целях направленного регулирования качественных показателей в воде у водозаборов водопроводных станций. Элементы такого регулирования уже давно используются специалистами Мосводоканала (имеются в виду сбросы из водохранилищ, преследующие цель разбавления загрязнений в случае обнаружения залповых сбросов сточных вод в 34 водотоки бассейна). Однако, при регулировании экологической обстановки в самом водохранилище необходимо убедительное обоснование последствий изменения уровня (а именно на изменение уровня направлены действия по дополнительной или сдерживающей сработки) водохранилища в отдельные, важные с точки зрения качества воды фазы водного режима. Это обоснование должно послужить причиной корректировки существующих правил эксплуатации гидроузлов с учетом качества воды. Такие правила станут одним из первых водохозяйственных нормативов, учитывающих качество воды при регулировании водного стока. Эта корректировка должна затронуть в первую очередь москворецкие водохранилища, т.к. возможности регулирования уровня воды в волжских водохранилищах практически отсутствуют. Не следует забывать, что в москворецком источнике существует еще путь воздействия на внешний водообмен и проточность Рузского водохранилища за счет переброски стока из Вазузско-Яузской системы. Однако, в отличие от регулирования стока москворецкими гидроузлами, переброска вазузских вод требует значительных затрат, поэтому положительный эффект увеличения проточности водохранилища должен быть надежно обоснован. Следует упомянуть еще один способ влияния на качество воды путем регулирования стока москворецкими водохранилищами, а именно отвод глубинных вод из гиполимниона приплотинного участка водохранилища. Эта мера в москворецких водохранилищах реализуется автоматически, т.к. в периоды стагнации водоема, когда это удаление актуально, сработка водохранилища проводится исключительно через глубинные водоводы. Не стоит, впрочем, преувеличивать эффективность этой меры, т.к. по проведенным оценкам влияние глубинного сброса ограничивается только небольшим участком приплотинного плеса. В приведенном выше обзоре вопросу селективного сброса из Истринского водохранилища уделено специальное внимание. Пути обоснования эффекта изменения режима регулирования однозначно связаны с применением математического моделирования. На модели можно проигрывать возможные режимы и отслеживать их последствия для качества воды. Это весьма сложная задача, т.к. при сценарных расчетах необходимо учитывать огромное разнообразие гидрометеорологических ситуаций в водоеме. Из мероприятий, направленных на изменение биомассы водорослей в водохранилище определенного внимания заслуживает только механическое удаление высшей водной растительности. Этот вид практического воздействия на состояние водоемов уже давно практикуется в водоемах, где на мелководьях широко распространены макрофиты. В водохранилищах – источниках водоснабжения г. Москвы такая мера актуальна лишь в Учинском водохранилище, где в 60-х годах были проведены посадки риса дальневосточного – водного растения, обладающего высокой продуктивностью. В практике эксплуатации этого водохранилища скашивание макрофитов на мелководьях уже применялось, однако степень эффективности и рентабельности удаления макрофитов для улучшения качества воды в водоеме остается неопределенной. Другие меры из этого блока воздействий – удаление фитопланктона и регулирование освещенности уже давно признаны неэффективными. К числу относительно дешевых и поэтому перспективных методов следует отнести методы биоманипуляции. В приведенном обзоре этим методам уделено особое внимание. Использование биоманипуляции путем вселения отдельных видов водной фауны с целью регулирования гидробиологического режима водоема ограничивается сложность оценки 35 последствий. Взаимодействия между водными организмами на различных трофических уровнях в экосистеме относятся к числу сложнейших проблем современной гидробиологии. В мировой литературе нет четких обоснований последствий вселения, которые могут быть разноплановыми. Например, распространение моллюска Dreissena, активного фильтратора органических взвесей, в Учинском водохранилище вполне возможно (оценки не проводились) положительно повлияло на качество воды, но попадание личинок в трубопровод и канал привело к расселению этого моллюска на стенках водоводов и последующему негативному изменению пропускной способности канала и качества воды в канале. В настоящее время использование биоманипуляции в водохранилищах систем московского водоснабжения для целей качества воды весьма проблематично. И все же при определенном интересе к зарыблению водохранилищ со стороны организаций, контролирующих любительский лов рыбы, эта мера может быть реализована с целями рыболовства. Наконец, к наиболее масштабному мероприятию по регулированию качества воды необходимо отнести реконструкцию существующих гидротехнических систем в виде создания предводохранилищ или полисекционных водохранилищ. Наряду с регулированием водного режима эту меру следует считать наиболее перспективной, хотя и требующую капитальных вложений. Создание предводохранилищ в густонаселенном Подмосковье явно нецелесообразно, в то время как реализация разделения уже существующих водоемов гидротехническими способами – вполне реальное мероприятие. Оценка эффективности этой меры потребовала проведения специального исследования с использованием математической модели, результаты которого приводятся в настоящем отчете. Выводы раздела - Возможности управления гидрохимической и гидробиологической обстановкой в экосистемах водохранилищ определяются двумя типами воздействия – мероприятиями на водосборах водохранилищ и мероприятиях в самих водохранилищах. - Среди комплекса применяемых в мировой практике мероприятий в водохранилищах наиболее перспективны меры по аэрации стратифицированных водохранилищ, селективный сброс вод, регулирование внешней биогенной нагрузки созданием предводохранилищ и методы биоманипуляции. - В водохранилищах москворецкой и волжской систем водоснабжения г. Москвы большинство рассмотренных методов практики восстановления водоемов в условиях интенсивного эвтрофирования их экосистем неэффективно. К числу перспективных методов регулирования первичной продуктивности для этих водохранилищ необходимо отнести селективный сброс воды, реконструкцию водохранилищ в полисекционные водоемы и управление уровнем воды водохранилищ в вегетационный период. 36 3 Комплекс мероприятий по предупреждению опасных изменений качества воды в водоисточниках и смягчению негативных последствий экстремально жарких периодов 3.1 Совершенствование мониторинга качества водохранилищах – источниках питьевого назначения воды в Результаты выполненных расчетов показали, во-первых, что ведущим фактором, определяющим эвтрофирование – увеличение биопродуктивности экосистем и размеры придонных зон аноксии, в водохранилищах служит внешняя фосфорная нагрузка, которая неизбежно возрастает с интенсификацией антропогенной химической нагрузки на водосборы водохранилищ вследствие продолжающегося увеличения численности постоянных и сезонных жителей Подмосковья. Во-вторых, из результатов расчета ежесуточных характеристик экологического состояния водохранилищ очевидно, что с наступлением жаркой погоды увеличивается частота вспышек цветения синезеленых водорослей. В отдельные дни их среднесуточная биомасса может достигать 15-20 г/м3 и более при слабых нагонных ветрах в участках, где находятся водозаборы. В то же время, учащать в летний сезон мониториговые съемки водохранилищ и число проб на определение в них численности и биомассы водорослей, на содержание в воде растворенного кислорода, железа, марганца, цветности, перманганатной окисляемости (ПО) воды, вряд ли рационально вследствие непродолжительности экологически неблагоприятного для водоснабжения периода. Учитывая это, мы рекомендуем, наряду с выполнением существующей программы мониторинга, дополнить ее ежедневным расчетом экологического состояния каждого водохранилища по модели ГМВ-МГУ, а в программу съемок включить инструментальное измерение температуры, электропроводности и растворенного кислорода на станциях, а также в зоне втекания речных вод. Эти несложные и весьма точные экспресс-наблюдения позволят вводить в модельный расчет автоматическую коррекцию исходных данных, предусмотренную в алгоритме программы ГМВ–МГУ, и повысит точность оценки качества воды в верховом, центральном и приплотинном районах водохранилища и даже в слое-боксе конкретного участка забора воды из водохранилища. Для проведения расчетов по модели нужно будет использовать суточный прогноз погоды по ближайшей к водоему метеостанции и воднобалансовые данные соответствующего гидроузла. В настоящее время в метеорологическую практику входит локальный среднесрочный синоптический численный прогноз с заблаговременностью в 7–10 суток. В нашем распоряжении имеется программа автоматического введения необходимой метеорологической информации для гидрологических расчетов по модели ГМВ–МГУ. Задавая вероятные среднесуточные расходы воды в реках, питающих водохранилище, и различные варианты его сработки в предстоящую неделю, по гидрологической модели можно получить ежесуточные значения составляющих водного и теплового баланса водохранилища, ход его уровня, температуры, кислорода и других характеристик качества воды на разных глубинах в верховом, центральном и приплотинном районах в предстоящую неделю. Этот прогноз ежедневно может уточняться с поочередной заменой прогнозных среднесрочных метеохарактеристик на более реальные ежесуточные. 37 Такое прогнозирование развития неблагоприятных для водоснабжения условий в каждом из водохранилищ создаст предпосылки для заблаговременного составления графиков водоподачи из водоема с наилучшим состоянием качества воды и прекращения ее забора из водохранилищ, в которых желательно снизить проточность и увеличить время отстоя и самоочищения воды. В крайних случаях, при невозможности обеспечить гарантированную водоотдачу из полезных объемов наименее «цветущих» водохранилищ появится время оценить экономическую целесообразность перекачки дополнительных водных ресурсов из еще пока намного менее трофного Вазузского водохранилища по Вазузско-Москворецкому каналу. Но такой вариант решения проблемы требует дополнительных полевых исследований трансформации состава воды в небольших Яузском и Верхнерузском водохранилищах при том или ином расходе воды и продолжительности перекачки резервных водных ресурсов. А на основе результатов такого исследования – создания более сложной гидрологической модели уже не отдельного водохранилища, а модели гидроэкологических процессов в сложной разнородной водохозяйственной системе. 3.2 Экологическая реконструкция водохранилищ Кардинальное решение проблемы цветения москворецких водохранилищ – источников питьевого водоснабжения при любых погодных условиях и водности притоков разработано нами на основе регулирования внутреннего водообмена водохранилища с целью интенсификации биопродуктивности мелководных верховых районов и деэвтрофирования глубоководных центрального и приплотинного районов водохранилища, вода которых подается на водоснабжение. При этом наиболее важно гарантировать неизменность при такой экологической реконструкции водоема параметров эксплуатируемого водохранилища и разработанного в первоначальном его проекте и уточненного в эксплуатационный период диспетчерского графика работы гидроузла. Таким образом полностью сохраняется запроектированная способность водохранилища осуществлять глубокое регулирование речного стока, необходимая Мосводоканалу и другим отраслям водного хозяйства, а также для обеспечения существующего экологического благополучия Москва-реки в нижнем бьефе гидроузла (предотвращение наводнений, повышение меженного стока, разбавление попадающих в русловой тракт загрязнений, промывка русла и т.п.). Экологическая реконструкция долинного водохранилища состоит в превращении его в полисекционный водоем, разделенный поперечными к оси долины межсекционными дамбами на глубоководную главную секцию, включающую приплотинный и центральный районы, и на мелководные водоохранные секции в верховых районах основной и боковых долин находящихся в подпоре притоков [59, 60]. Каждая межсекционная дамба должна включать водосбросные устройства (водослив и придонный водовод) с затворами для управления расходом воды, поступающим из водоохранных секций в главную. На рисунке 6 показан принцип использования полезного объема водохранилища с управляемым водообменом между секциями при помощи поверхностных и придонных водопропускных устройств в теле межсекционной низконапорной дамбы. 38 Рисунок 6 – Уровень воды в полисекционном водохранилище многолетнего регулирования стока в разные фазы гидрологического режима: а – весной по окончании половодья; б – осенью в конце вегетационного сезона; в – зимой; 1 – уровень в многоводный год и 2 – в маловодное половодье, 3 – межсекционная дамба, 4 – главная секция, 5 – водоохранная секция, 6 – гидроузел В фазу весеннего наполнения в реконструированном водохранилище следует в первую очередь заполнять до нормального проектного горизонта (НПГ) водоохранные секции. Это снизит их проточность, усилит в них седиментацию взвесей из наиболее мутных и загрязненных в фазу подъема половодья речных водных масс, увеличит сорбцию и соосаждение на дно фосфора и других загрязняющих воду веществ. После заполнения водоохранных секций начнется наполнение главной секции водохранилища через водосбросы межсекционных дамб уже трансформированной, осветленной и обедненной биогенными и органическими веществами весенней речной водной массой. В многоводные половодья главная секция будет наполняться до НПГ (рисунок 6а). Поэтапное заполнение секций водохранилищ позволит не допускать превышения уровнем воды отметки НПГ в главной, наиболее обширной секции. Оно нежелательно для развития ее экосистемы вследствие обогащения наземными органическими и биогенными загрязняющими воду веществами, а также и для береговой экосистемы из-за ее чрезмерного подтопления грунтовыми водами. В такие годы водоводы на дамбах при открытых затворах обеспечат возможность нерестовых миграций локальных стад рыб из одной секции в другую. В годы с малым объемом половодья водоохранные секции, также как в многоводные годы, должны наполняться водой до НПГ. В заполняющейся после них главной секции уровень воды не достигнет НПГ (рисунок 6а 2), что наблюдается в маловодные весны во всех водохранилищах многолетнего регулирования стока. В такие годы снижение уровня воды у плотины гидроузла в реконструированном водоеме (относительно уровня в современном водохранилище) составит всего несколько сантиметров (7–12 см [61]) вследствие мелководности заполняемых до НПГ водоохранных секций. При небольшом перепаде уровня в створе межсекционных дамб в их придонных водоводах возможно получить величину скорости потока, привлекающую идущую на нерест рыбу к миграции из главной секции в водоохранные. Управление внутренним водообменом водохранилища в вегетационный сезон состоит в регулировании расхода воды через водосбросные устройства межсекционных дамб так, чтобы уровень воды в водоохранных секциях оставался неизменным или совершал 39 небольшие колебания вблизи отметки НПГ. Сброс излишков воды из них в главную секцию должен производиться либо через придонный водовод, либо через водослив в зависимости от вертикального распределения характеристик качества воды в верхнем бьефе дамбы, измеряемых в мониториговых съемках водохранилища. По-видимому, в штилевые дни, когда планктонные водоросли концентрируются у поверхности воды, желателен ее сброс через придонные водоводы. В ненастье при перемешивании воды на мелководьях водоохранных секций и поступлении в их русловые ложбины сильнее охлажденных и более плотных речных водных масс в паводки циклонической погоды будет лучше сброс воды производить через водосливы. Это предотвратит формирование в главной секции придонного плотностного течения насыщенных фосфором паводковых вод, создающих летом добавочную фосфорную нагрузку глубинных вод в современных водохранилищах. В них с апвеллингом у крутых нагонных берегов поднимаются в верхний трофогенный слой гиполимниальные воды, создавая наиболее активные очаги «цветения» синезеленых водорослей даже у плотин москворецких гидроузлов. При стабильном положении уровня воды в вегетационный сезон в мелководных водоохранных секциях будут обеспечены оптимальные экологические условия для развития макрофитов – антагонистов синезеленого и крупноклеточного («сетного») фитопланктона, вызывающего летне-осеннее «цветение» водохранилищ. Этот фитопланктон – неблагоприятная пища для фитофильного зоопланктона, численность и активность которого из-за этого снижается при «цветении». Слабым выеданием сетного фитопланктона объясняются значительные его биомассы в верхнем слое воды – этого экологически наиболее негативного явления в слабопроточных и стратифицированных москворецких водохранилищах. Цветение сопровождается седиментацией обильного детрита и его столь интенсивным микробиологическим окислением, что в придонных слоях возникает и расширяется аноксидная зона, создающая заморные условия в глубинных слоях воды. Это ухудшает органолептические качества воды и повышает концентрацию закисных форм железа и марганца, препятствует полноценному питанию бентосоядных рыб. Увеличение зарастания макрофитами мелководных водоохранных секций явится ведущим фактором не только интенсификации самоочищения воды от загрязняющих ее веществ, но и успешного нереста и нагула молоди массовых видов рыб, обитающих в водохранилищах, а следовательно, повышения и их рыбопродуктивности. Кроме того, появится возможность регулировать возрастной состав ихтиофауны путем селективного отлова рыб старших возрастов у водосбросных устройств. Это рыбоводное мероприятие также рассматривается ихтиологами как один из способов увеличения интенсивности очищения воды от избыточного количества органического вещества. Одновременно улучшится и эстетический облик не обсыхающих летом и осенью верховьев реконструированного водохранилища. Они станут внешне подобны продуктивным макрофитным озерам с богатой фауной и флорой. Такого типа водоемы среди озер обладают наибольшей устойчивостью в отношении внешней биогенной нагрузки. Результатами многолетних исследований озер этого экологического типа Т.Н. Покровская с коллегами [62] доказала, что погруженные макрофиты в процессе роста поглощают и длительно удерживают в своих тканях большую массу биогенных элементов, резко замедляют их оборачиваемость в экосистеме, вынуждая летом «сетной» фитопланктон голодать, и тем самым активно противоборствуют «цветению». 40 В вегетационный сезон для регулирования стока и водоснабжения в экологически реконструированном водоеме будут использоваться водные ресурсы только главной секции. Поэтому уровень воды в ней станет снижаться несколько быстрее, чем до реконструкции. В маловодные годы не будет подтопления береговой полосы и размыва абразионных ее участков, а в многоводные весны сократится продолжительность действия этих нежелательных процессов, при снижении уровня воды (рисунок 6б) станут еще более неблагоприятными условия для зарастания главной секции макрофитами. Сгонно-нагонные колебания уреза воды благодаря этому будут происходить в пределах уже сформировавшихся песчаных пляжей, активизируя самоочищение фильтрующейся сквозь песок воды организмами псаммона. Проведенные на Учинском водохранилище исследования [63, 64] показывают, что роль псаммона, численность организмов которого на порядок превосходит биоту водной массы, в минерализации «сетного» фитопланктона возрастает в 4-5 раз именно в жаркую погоду, когда развитие синезеленых и пирофитовых водорослей достигает стадии наибольшего «цветения». В предзимье перед замерзанием верховий водохранилища за несколько дней следует сбросить воду из водоохранных секций, чтобы выровнять тем самым водную поверхность во всем реконструированном водоеме (рисунок 6в) и пополнить ею накануне зимней межени полезный объем главной секции. Ускоренная сработка воды стимулирует миграцию рыб с мелководий в зимовальные ямы, которые появятся при сооружении межсекционных дамб с помощью гидромеханизации, или через открытые водоводы в глубоководную главную секцию. Это предотвратит гибель рыб зимой в западинах ложа водоохранных секций, придавленных обсыхающим ледяным покровом. Оголившиеся участки дна водоохранных секций покроются снегом. Благодаря низкой теплопроводности снежного покрова не будут вымерзать корневища макрофитов. Они, кроме того, не будут выдираться льдом из дна водоохранных секций при их наполнении весной водой, тогда как в современных водохранилищах при подъеме ледяного покрова гибнет большая масса зародышей высшей водной растительности. Открытые на зиму затворы водоводов в дамбах не станут зимой препятствовать ежегодному минерализационному плотностному придонному течению распространятся от верховьев реконструированного водохранилища до его приплотинного участка. Это зимнее течение обогащает растворенным в речной воде кислородом глубинные воды центрального и приплотинного районов и ликвидирует аноксию, улучшая тем самым качество глубинных вод и условия зимовки ихтиофауны [65]. Однако, опорожненные перед ледоставом водоохранные секции зимой в случае острой необходимости (при аварийном загрязнении речных вод, питающих водохранилище) смогут быть использованы для накопления загрязненных вод. Тогда эти воды, несколько очистившись за зиму, попадут в главную секцию весной многократно разбавленными водами половодья. По нашей предварительной оценке, в Истринском водохранилище такие две водоохранные секции с дамбами у д. Пятница и в основании приустьевого залива по р. Катышке могли бы иметь размеры, равные соответственно 65 и 7% площади современной акватории этого водохранилища, и составлять вместе 50% его суммарного объема при НПГ. Их средняя глубина в течение вегетационного сезона составила бы 3,8 и 4,0 м соответственно. В Можайском водохранилище достаточна одна межсекционная дамба в узком участке долины между левобережными деревнями Горки и Лубенки. Площадь водоохраной секции составила бы 24% акватории при НПГ, ее объем 12% и средняя глубина 41 3,8 м. Второй водоохраной секцией служит Колочский водоем, вода из которого периодически перекачивается в центральный район Можайского водохранилища. Количественная оценка эффективности регулирования внутреннего водообмена в Можайском водохранилище с целью ограничения фосфорной внешней нагрузки на его основную водную массу в главной секции указанных размеров была выполнена сценарными модельными расчетами [66]. Использовался вариант модели ГВМ–МГУ без экологического блока для того, чтобы можно было бы сравнить лишь фосфорудерживающую способность полисекционного водохранилища с европейскими предводохранилищами [67, 68]. В модели Можайского водохранилища, разбитой на 8 расчетных отсеков, указанное выше место межсекционной дамбы соответствует границе между расчетными отсеками РО-3 и РО-4. В таблице 2 дается сравнение изменения водообмена и составляющих фосфорного баланса в современном водохранилище (моносекционный водоем) и в двухсекционном водохранилище в годы экстремальной водности – в самый многоводный дождливый 1998 и в жаркий маловодный 1996 (~95%-ной обеспеченности стока Москва-реки). В расчетах использовали среднесуточные значения расхода воды притоков и сбросов Можайского и Колочского гидроузлов, а также метеорологических характеристик по данным метеостанции Можайск. Таблица 2 – Среднегодовые значения коэффициента водообмена Кв и составляющих баланса общего фосфора ТР в двух сценариях модельного расчета ежесуточного водного режима Можайского водохранилища в экстремальные по водности годы [66] РасчетЧасть Сценарий – современное Сценарий – двухсекционный ный год водохранилища водохранилище водоем Интенсивность внутреннего водообмена Кв=(V+Q)/2W год–1 1996 РО-1–РО-3 31 16 РО-4–РО-8 1 1 1998 РО-1–РО-3 16 12 РО-4–РО-8 3 2 –1 Изменение составляющих фосфорного баланса, тонны год Приток Сброс Аккумуля Приток Сброс Аккумуля ция ция 1996 РО-1–РО-3 43 88 –46 51 46 5 РО-4–РО-8 122 63 59 58 49 9 1998 РО-1–РО-3 139 182 –43 140 134 6 РО-4–РО-8 196 142 54 139 134 5 3 Примечание – V и Q – приток и сброс воды, W – среднегодовой ее объем, млн м , Приток– масса общего фосфора, поступившего в расчетные отсеки (их внешняя + внутренняя фосфорная нагрузка), и Сброс – сброшенная из них с водой + осевшая на их дно, Аккумуляция – изменение массы общего фосфора в воде Из данных таблицы видно, что в маловодный жаркий год водообмен в водоохраной секции снизится вдвое по сравнению с водообменом верхового района нереконструированного водохранилища – с 31 до 16 раз за год. И даже в многоводный год его снижение составит 25%. Вследствие этого, годовая фосфорная нагрузка на главную 42 секцию с 196 т в многоводный год уменьшится до 139 т, т.е. на 30%, а в маловодный год ее снижение достигнет 48%. Модельным расчетом установлена главная причина этого экологически положительного эффекта. Сооружение дамбы предотвратит перенос в сторону гидроузла из верхового района минерального фосфора, образующегося в вегетационный сезон при бактериальном разложении детрита. Это снизит вторичную, внутреннюю фосфорную нагрузку на экосистему в летнюю жару в центральном и приплотинном районах водохранилища. Полученные оценки вполне сопоставимы с фосфорудерживающей способностью 19-ти предводохранилищ в Германии, эксплуатируемых там для предотвращения «цветения» водохранилищ – источников муниципального водоснабжения [69]. По-видимому, предводохранилища, сооружаемые выше по течению на зарегулированных такими водохранилищами реках, имеют коэффициент водообмена подобный рекомендуемым нами водоохранным секциям в Можайском и Истринском водохранилищах, поскольку их средняя глубина такая же, что и признанная оптимальной для предводохранилищ. При проектировании размещения в москворецких водохранилищах створов водоохранных сооружений важно включить в состав предпроектных изысканий диагностические модельные расчеты гидрологического режима в сочетанием с 1-2-годичным циклом гидролого-гидрохимических съемок первоочередного водохранилища с целью повторной надежной верификации экологического блока модели ГМВ-МГУ. Эта необходимость связана с тем, что при принятии решения о целесообразности внедрения в водохозяйственную практику экологической реконструкции источников водоснабжения предстоит разработать и включить в алгоритм модели подпрограмму МАКРОФИТЫ. Такое исследование в содружестве со специалистами Биологического факультета МГУ позволит учесть дополнительный очистной эффект развития зарослей макрофитов [70, 71] в самоочищении воды в водоохранных секциях, размер которого зависит от параметров и формы такой секции. Этот эффект не полностью учтен в прогнозировании трансформации химических характеристик питьевых качеств воды в настоящем исследовании, поскольку поиск готовых алгоритмов модельного расчета водоохраной функции макрофитов в отечественной и зарубежной лимнологической литературы не увенчался успехом. Главными преимуществами водоохранных секций, в сравнении с европейскими предводохранилищами следует считать, во-первых, то, что не требуется отвода новых земель под затопление в плотно заселенных районах Подмосковья, и, во-вторых, в специфике сооружения межсекционных дамб в сравнении с сооружением обычного гидроузла: - упрощенность сооружения тела низконапорных дамб, сквозь которые допустима слабая фильтрация воды в главную секцию; - возможность ее сооружения методом гидромеханизации, применение которой не приведет к ухудшению качества воды и увеличению ее мутности в приплотинном районе, если работы будут проводиться в вегетационный сезон, когда проточность водохранилища минимальна. Наоборот, локальное повышение мутности воды в его верховьях снизит интенсивность фотосинтеза фитопланктона и усилит соосаждение фосфора и других загрязняющих веществ на дно, что будет способствовать улучшению качества воды в центральном и приплотинном районах водохранилища в строительный период. 43 - Целесообразность использования разработанного в Гидропроекте наплавного метода монтирования железобетонных элементов конструкции водопропускного сооружения. При заводском изготовлении деталей этих конструкций их сборка может быть произведена на территории основного гидроузла, а затем они будут отбуксированы и установлены в створе намывной дамбы. Регистрацию уровня воды в водоохраной секции и управление механизмами затворов возможно обеспечить современными дистанционными системами связи. - После установки водопропускного сооружения возведение межсекционной дамбы может продолжаться не один год сочетанием отсыпки любого грунта, включая отходы железобетонных заводов, строительный мусор, образующийся при сносе строений и подготовке участков новой застройки в Москве и в соседних городах Подмосковья, в сочетании с намывом аллювиальных отложений с участков ложа будущей водоохраной секции. Чем шире будет земляная дамба, тем больше ее устойчивость и фильтрационная способность, которая с ростом высоты дамбы станет снижаться по мере уплотнения и кольматации илом пористого грунта. Использование дамб как элементов дорожной сети может снизить затраты Мосводоканала на проектирование и сооружение межсекционных дамб при кооперации с заинтересованными дорожными и кооперативными организациями. Выполненные полвека назад экспериментальные исследования самоочищения воды в Учинском водохранилище привели их организатора А.В. Францева [36, 72], широкомасштабными опытами показавшего важную роль в этом процессе песчаных пляжей, крепленных бунами, и зарослей макрофитов, к такому заключению: «Схема идеального водохранилища, – пишет Андрей Владимирович [73], – представляется нам так. Вода поступает в верховья водохранилища... по широкому мелкому плато, обильно заросшему высшей водной растительностью. Здесь она оставляет большую часть своих биогенных элементов, взвесей и бактерий. На этом мелководье создается плодородный ил, в результате чего рост водных растений здесь год от года усиливается. Профильтрованная через заросли вода, содержащая меньше питательных веществ и обогащенная антагонистическими для развития планктонных водорослей веществами, поступает в глубокие среднюю и нижнюю части водохранилища. Здесь она хранится в лучших условиях, так как ее способность к зацветанию сильно ослаблена. Берега водохранилища, превращенные в песчаные пляжи, продолжают интенсивное самоочищение воды». Именно в такие идеальные водоемы– источники питьевого водоснабжения Москвы должны мы превратить реконструированием в полисекционные водоемы сначала Истринское, затем Озернинское и, наконец, Можайское с Рузским водохранилища. Тогда они с их богатейшими биоресурсами станут экологически устойчивыми и в жару маловодий, и к росту биогенной нагрузки в исключительно многоводные годы. 3.3 Оценка возможности смягчения негативных последствий путем регулирования уровенного режима водохранилищ и снижения уровня цветения в нижнем бьефе системы путем перекачки чистой воды через Рузу Решение этой проблемы наиболее реально в настоящее время при отмеченном выше совершенствовании мониторинга качества воды в москворецких водохранилищах. Для этого 44 рекомендуется сочетание существующей программы наблюдений с добавлением в нее инструментальных определений состава воды in situ и оперативного слежения за режимом качества воды путем ежесуточного прогностического расчета по гидрологической модели водохранилища ГМВ–МГУ с использованием обычного прогноза погоды для городов северо-запада Московской области. При этом для снижения цветения в нижнем бьефе использовать рекомендованное нами ранее [52] явление селективности сброса воды из стратифицированного в жаркую погоду водохранилища, управляя затворами глубинного водовода ГЭС и поверхностного водослива. Эта рекомендация воспринята руководством Мосводоканала и даже опубликована в Юбилейной монографии МВК в разделе Организация разбавляющих попусков в нижние бьефы водохранилищ главы VI «Управление качеством воды» [74]. Выбирая из Можайского, Рузского, Озернинского и Истринского водохранилищ наименее цветущие в данный момент для подачи гарантированного расхода воды в Рублевское водохранилище, учитывая нежелательность возбуждения интегральности сброса, диспетчерская служба тем самым и управляет уровнем воды с целью уменьшения негативного последствия цветения. В наиболее цветущих водохранилищах при этом наступит временная стабилизация уровня воды до смены погоды на ветренную, когда наступит глубокое перемешивание воды у плотины или апвеллинг, когда снизится концентрация водорослей в участке водозабора и появится возможность переключить сработку на водохранилище с наиболее сильно перемешанным приплотинным участком. Разнообразные аспекты проблемы улучшения качества воды в водоисточниках Мосводоканала неоднократно обсуждались на конференциях [75, 76, 77]. Однако, как указывалось выше, кардинальное решение проблемы управления качеством воды в перечисленных москворецких водохранилищах будет достигнуто при реконструкции их в полисекционные водоемы. Тогда в них станет возможно управление внутренним водообменом с целью сосредоточения цветения в водоохранных секциях водоема и питания главной секции отстоенной в них водой. Это – инновационный метод управления уровенным режимом каждого из водохранилищ. Однако, вероятнее всего реконструкция (если Мосводоканал поручит Гидропроекту проектирование этого мероприятия и примет решение осуществить проект) будет производиться поочередно, сначала – Истринского водохранилища, затем Озернинского и, наконец, Можайского, исходя из современной их неодинаковой подверженности цветению и разнице во времени добегания воды от этих гидроузлов до Рублевских водозаборов. Эта очередность и будет определять последовательность использования водных ресурсов главных секций водохранилища, их сработку и колебания в них уровня воды. Необходимость реконструкции Рузского водохранилища наименее очевидна, во-первых, из-за особенностей морфологического строения его ложа (наибольшие мелководья образовались не в верховьях, а в Ащеринской низине – в центральном районе водохранилища) и, во-вторых, из-за того, что это водохранилище – участок тракта межбассейновой переброски водных ресурсов из Вазузской гидротехнической системы (ВГТС) в Москворецкую. Снижение цветения воды в нижнем бьефе системы путем перекачки чистой воды через Рузу считаем мероприятием бесполезным из-за его экологической неэффективности по описанным ниже причинам. а) Большая удаленность центрального и приплотинного районов Вазузского водохранилища от Москва-реки в нижних бьефах москворецких водохранилищ (рисунок 7). 45 Рисунок 7 – Москворецко–Вазузская воднохозяйственная система. Водохранилища: 1 – Вазузское, 2 – Яузское, 3 – Можайское, 4 – Рузское, 5 – Озернинское, 6 – Истринское, 7 – Верхнерузское, 8 – Рублевское В рамках грандиозного проекта жилищной застройки Юго-Запада Москвы возникла в 1959 г. идея переброски стока самого крупного притока незарегулированной части Волги – реки Вазузы в москворецкий бассейн. Гидротехников привлекла узость и глубокий врез серповидной долины в низовьях Вазузы, где она принимает воды Касни, Гжати и Осуги, которые втрое увеличивают водность этой реки (рисунок 8). Рисунок 8 – Схема Вазузской гидротехнической системы. ЗГУ – Зубцовский гидроузел, Н21 и Н23 – насосные станции подачи воды в каналы Гжать–Яуза и Яуза–Руза Благодаря меньшей заболоченности – всего 1,2% территории вазузского водосбора его залесенности (26%) цветность воды в этой реке в среднем в 1,5–2 раза меньше, чем в Верхней Волге, высокоцветные воды которой – наиболее существенный недостаток питьевых качеств волжского водоисточника [74]. 46 При различной среднегодовой интенсивности внешнего водообмена (коэффициент водообмена в Яузском водохранилище около 1 год-1, в Вазузском до 6 год-1) скорости стоковых течений в большей части их акваторий не превышают 1–2 см/с. Ветровые течения непродолжительны и ограничены пределами узких и извилистых плесов. Благодаря замедленному водообмену водохранилища ВГТС обладают большим отстойным эффектом. Среднегодовой коэффициент водообмена за период их эксплуатации – 4,1 год–1. Отличительная особенность Яузского водохранилища – обширное расширение в его верхней части – Ветровский плес, образовавшееся при затоплении междуречья рек Яузы, Савинки, Титовки. Его ширина достигает 4,5 км, глубина – 8–12 м. Водосбор Яузского водохранилища на 71% покрыт лесом, 2% его площади занимают болота. Верхнерузское водохранилище – морфологически наиболее простое из всех водохранилищ ВГТС. Подпор от плотины распространяется вверх по руслу р. Рузы на 14 км. Проектная величина сработки составляет 6,5 м. Это водохранилище – небольшое, его объем 22 млнм3, площадь водной поверхности при НПУ 9,4 км2. Его основная задача – повышение пропускной способности руслового тракта переброски вод Яузского водохранилища в Москворецкую водную систему. Водохранилища ВГТС, введенные в эксплуатацию в 1977 г. объединены земляным каналом Гжать–Яуза протяженностью 8,9 км (рисунок 9). Начало канала – в районе бывшей д. Субботники на р. Гжать, его нижняя отметка соответствует меженному бытовому уровню воды в реке на этом участке (168 м БС) и определяет уровень минимального объема Вазузского водохранилища. На канале последовательно установлены 2 насосные станции на две ступени подкачки воды (НС №21 и №22), которые обеспечивают подъем перекачиваемой воды на высоту до 45 м и ее поступление в верхний бьеф Яузского водохранилища вблизи плотины Кармановского гидроузла. Максимальная пропускная способность канала – 40 м3/с [78]. Рисунок 9 – Канал Вазуза–Яуза Яузское и Верхнерузское водохранилища соединяются каналом Яуза–Руза, пересекающим водораздел водосборов р. Вазузы и р. Москвы. В начале этого канала расположена еще одна насосная станция (НС №23), которая поднимает воду из Яузского 47 водохранилища на высоту до 15 м в канал и в Верхнерузское водохранилище. Длина канала 14,3 км, максимальная пропускная способность 36 м3/с. Таким образом, общая протяженность каналов составляет около 23 км. На противоположном конце канала Яуза– Руза находится перепадная ГЭС, имеющая установленную мощность 3200 кВт и проектную среднегодовую выработку электроэнергии 14 млн кВтчас (таблица 3) [75]. Таблица 3 – Основные водохозяйственные показатели водохранилищ ВГТС [75] Естественный Объем Подпорный Проектная годовой сток в водохранилища, уровень гарантированная млн м3 Водохранилище Река створе плотины, км3 водоподача к средний маловодный НПУ УМО полный полезный Москве, м3/с год год Вазузское Вазуза 1,33 0,7 180,2 170,5 539 428 Яузское Яуза 0,12 0 215,0 212,0 290 130 Верхнерузское Руза 0,08 0 208,8 202,2 22 21 Всего 851 579 19 В 2002 г. руководством Мосводоканала было поручено Лаборатории водохранилищ МГУ осуществить две комплексные съемки Вазузского и Яузского водохранилищ для оценки их экологического состояния. Первая из съемок проведена в конце мая в фазу «чистой воды», когда завершается в основном самоочищение воды от веществ, приносимых в половодье с водосборов. Ведущую роль в этом процессе играет развитие кормового фитопланктона (диатомовых и зеленых водорослей, выедаемых дафниями) и аэробных бактерий, служащей пищей для многочисленного сообщества ветвистоусых рачков-фильтраторов, интенсифицирующих осаждение мельчайших взвесей и сорбирующихся на них фосфатов, ионов тяжелых металлов и других загрязняющих веществ. Вторая съемка в начале августа была приурочена к фазе «летнего цветения» водоемов, когда формируется еще большая биомасса несъедобного для рачков-фильтраторов фитопланктона (синезеленых и динофитовых водорослей). Вследствие этого возрастает мутность воды, снижается численность зоопланктона, растет потребление кислорода на окисление детрита сначала аэробными бактериями, а в глубинных слоях воды после исчезновения кислорода анаэробными микроорганизмами в условиях замора и резкого ухудшения органолептических характеристик качества воды. Для иллюстрации экологического состояния водохранилищ ВГТС ниже приводятся данные выполненной нами второй съемки в жаркое время года. В таблице 4 показаны результаты химического и биологического анализа проб из верхнего полуметрового слоя воды только трех станций, назначенных в водозаборных бьефах ВГТС: ст. 1 – в Ветровском плесе Яузского водохранилища, ст. 9 – в Гжатском расширении Вазузского водохранилища и ст. 11 – в его приплотинном плесе у Зубцовсого гидроузла. 48 Таблица 4- Данные комплексной съемки водохранилищ ВГТС 5–7 августа 2002 г. Характеристика состава и Яузское Вазузское качества воды (0,5 м) Ст. 1 5 августа Ст. 9 6 августа Ст. 11 7 августа Минерализация, мг/л 157 202 193 Электропроводность, мкСм/см 152 193 190 Жесткость воды, мг-экв/л 2,0 2,4 2,6 Железо общее, мг/л 0,56 – 0,29 Азот аммонийный, мг/л 0,20 – 0,16 Азот нитритный, мг/л 0,008 – 0,018 Азот нитратный, мг/л 0,59 – 0,34 Фосфор РО4 / общий, мг/л 0,012 / 0,048 0,012 / 0,105 0,000 / 0,020 Цветность, град Pt-Co шкалы 10 25 20 Окисляемость ПО/БО, мгО/л 7,4 / 19,8 11,2 / 33,6 8,2 / 16,4 БПК5, мгО2/л 4,5 – 2,5 11,5 / 0,6 11,2/0,7 Кислород О2 : пов./дно, мг/л пов./дно, % нас. 139 / 6 134 / 6 Мутность, мг/л 6,9 – 2,9 Фитопланктон Численность, тыс. кл./мг 1,7 34 46,5 3 Биомасса, г/м 4,9 10,3 0,6 Зоопланктон Численность, тыс.экз./м3 451 434 65 3 Биомасса, г/м 5,7 2,8 0,6 Планктонные инфузории Численность, тыс.экз./м3 126 1,0 3,3 3 Биомасса, г/м 0,96 0,14 0,14 Индекс сапробности 2,2 1,6 2,5 Коли-индекс 57 – 110 Полученные данные свидетельствуют о том, что вода в водохранилищах ВГТС слабоминерализованная, с малым содержанием взвешенных и биогенных веществ. Судя по значению индекса сапробности, вода на всех станциях относится к третьему классу качества, т.е. умеренно загрязненная природными органическими веществами, которые достаточно полно утилизируются планктонными микроорганизмами. Наименее интенсивны продукционные процессы в самом большом Приплотинном плесе с наиболее прозрачной водой и малой цветностью. Наиболее эвтрофировано Гжатское расширение, где особенно развит планктон. Это локальное загрязнение воды устраняется при ее перекачке в Яузское водохранилище с особенно замедленным водообменом, экосистема которого находится в слабом эвтрофном состоянии, благоприятном для процессов самоочищения воды в водохранилищах. В таблицу не включены данные о содержании в воде марганца, цинка, 49 меди, свинца, кадмия, никеля, кобальта, хрома, поскольку оно мало и не превышает ПДК для водоемов – источников питьевого водоснабжения. Проект эксплуатации тракта переброски стока был рассчитан на бесперебойную подачу воды в Москва-реку. Но к началу XXI века произошло сильное снижение водопотребления в Москве с 6,6 тыс м3/сут в 1993 г. до 5,4 в 1999 г., а к 2020 г. планируется его снизить еще на 15–20% [79]. Поэтому в настоящее время перекачка воды по этому тракту периодична и кратковременна. Из данных таблицы 4 видно, что мелководный гжатский водозаборный плес (ст. 9) – наиболее сильно цветущий в жаркую погоду участок ВГТС. Вероятно, это объясняется тем, что загрязняемые в г. Гагарин воды попадают в р. Гжать и увеличивают биогенную нагрузку в этом малопроточном в летнюю бездождную межень этого расширенного участка Гжатского плеса Вазузского водохранилища. Выполненные в 2010 г. модельные диагностические расчеты гидрологического режима Вазузского водохранилища показали, что при работе насосных станций №21 и №22 в штатном режиме в канал Гжать-Яуза подается смесь водных масс р. Гжать и воды из ее устьевого участка, заполненного смесью вод верхнего участка р. Вазуза, р. Касня и водной массы центрального района водохранилища, образующих в совокупности противотечение в низовом участке Гжатского залива (рисунок 8). Поэтому наиболее чистые воды приплотинного плеса перед Зубцовским гидроузлом лишь в малой пропорции смогут быть вовлечены в перекачку, продолжающуюся многие недели. При этом в жаркую погоду возникающие медленные противотечения не смогут перемешать устойчивый в жару слой температурного скачка и пикноклин, поэтому в течении будут участвовать воды трофогенного слоя , наиболее богатого синезелеными водорослями. б) Большая протяженность земляных каналов, соединяющих водохранилища тракта водоподачи. В продолжительные интервалы времени между прокачками воды по каналам для разбавления пиковых масс фитопланктона в жаркие дни или недели ложе трассы будет местами обсыхать или заболачиваться. Поэтому потребуется некоторое время для отстоя мусора в первой порции перекачиваемой воды не столько в малом Верхнерузском, сколько в Рузском водохранилище. Вследствие этой дополнительной внешней нагрузки биогенными и органическими веществами, смытыми с ложа и бортов каналов, следует ожидать усиления цветения в жаркую погоду центрального района Рузского водохранилища в Ащеринском расширенном плесе. Появится дополнительный источник биомассы синезеленых водорослей, которые буду сбрасываться в р. Рузу и попадут в р. Москву. Таким образом, вероятность разбавления чистыми водами нижних бьефов москврецких водохранилищ в ближайшем будущем представляется нам проблематичной. Быть может со временем, когда начнется массовая застройка Новой Москвы и при этом сильно возрастет водопотребление из р. Москвы, станет необходимой ежесуточная перекачка в нее по трассе ВГТВ всего полезного объема Вазузского и Яузского водохранилищ. Только тогда появится вероятность доминирования в составе перебрасываемой водной массы чистых вод приплотинного плеса Вазуского водохранилища. 50 3.4 Снижение первичной продуктивности водораздельного бьефа канала им. Москвы водохранилищ Возможности регулирования экологических процессов в водохранилищах водораздельного бьефа канала им. Москвы путем изменения гидрологического режима практически отсутствуют. Как известно, этот режим определяется перекачкой воды из Иваньковского водохранилища по каналу с поддержанием в судоходный период постоянного уровня воды в водохранилищах на отметке 162,0 м БС. Небольшая, относительно короткая и практически всегда одинаковая предполоводная сработка водохранилищ не более, чем на 2 м не может привести к каким-либо существенным изменениям в экологическом режиме водохранилищ и повлиять на развитие продукционных процессов в летний период. Также крайне проста гидрологическая структура водных масс не только в высокопроточном Икшинском, но и в сопряженным с ним Пестовском и даже в наименее проточном Учинском водохранилище. Фактически из факторов, определяющих развитие продукционных процессов в водохранилищах водораздельного бьефа и хотя бы в какой-то степени относящихся к числу регулируемых, можно рассматривать только биогенную нагрузку. Модельными сценарными расчетами было показано, что при уменьшении суммарной (по азоту и фосфору) химической нагрузки на 20% средняя биомасса фитопланктона в жаркий год уменьшается в 1,3–1,5 раза. При уменьшении нагрузки в 2 раза это снижение составит уже 2,4–2,6 раз. Заметно реагирует первичная продукция и на увеличение нагрузки – при росте нагрузки в 1,5 раза средняя биомасса фитопланктона возрастает весьма существенно – в 1,2–1,5 раза. Биогенная нагрузка водохранилищ водораздельного бьефа определяется формированием химического стока (стока биогенных веществ) в бассейне Иваньковского водохранилища, его трансформацией в водохранилище и канале им. Москвы и притоком биогенных веществ со стоком небольших рек-притоков собственно водохранилищ водораздельного бьефа канала – рек Клязьма, Уча, Вязь, Ольшанка, Какотка. Регулировать химическую нагрузку в бассейне Иваньковского водохранилища практически невозможно, поскольку даже при наличии существенных источников азота и фосфора в бассейне (г. Тверь – наиболее значимый из них) роль антропогенного фактора здесь крайне невелика по сравнению с ландшафтными источниками биогенов в обширном бассейне с высокой залесенностью. Однако, как было показано балансовыми расчетами [80], в химической нагрузке водохранилищ водораздельного бьефа существенную роль играют малые притоки водохранилищ, роль химического стока которых резко возрастает в период половодья, когда водохранилища водораздельного бьефа заполняются водами этих притоков. Бассейны этих рек расположены в густонаселенных районах Московской области и интенсивно загрязняются сточными водами и стоками селитебных территорий и коттеджных массивов. Снизить влияние этих притоков уже вполне реально, т.к. в формировании их химического стока роль антропогенного фактора очень велика и, соответственно, водоохранные меры оказываются весьма действенными. Следует отметить, что как показали расчеты для Клязьминского водохранилища, роль притока по р. Клязьме крайне мала, т.к. химический сток этой реки в силу особенностей внутреннего водообмена водохранилища практически не оказывает влияния на содержание азота и фосфора в Пироговском его участке, где расположен водозабор Северной станции. 51 Фактически в Волжском водоисточнике активная водоохранная деятельность на водосборах малых рек-притоков водохранилищ водораздельного бьефа – это единственный путь практического регулирования продуктивности водохранилищ и качества воды в вегетационный период при развитии фитопланктона. Выводы раздела - Оперативные мероприятия, направленные на смягчение неблагоприятных последствий для качества воды при наступлении жаркого периода летом включают поддержание на максимально высоком уровне водохранилища Москворецкой системы, характеризующиеся наиболее высоким потенциалом цветения. Прогноз цветения водохранилищ предлагается осуществлять с использованием расчетов по экологической модели водохранилищ и данных регулярного мониторинга. - Использование перекачки воды из Вазузско-Яузской системы для снижения интенсивности цветения в Рузском водохранилище с последующим приоритетным использованием последнего для подачи воды из москворецкого водоисточника представляется нецелесообразным по причине большой вероятности интенсивного развития фитопланктона воде, перекачиваемой из водозаборного плеса Вазузского водохранилища. - Модельными расчетами обоснована экологическая эффективность реконструкции водохранилищ в полисекционные водоемы с целью регулирования процесса цветения воды в водоохраной секции. Реконструкцию целесообразно начать с Истринского водохранилища. - В системе волжского водоисточника единственным мероприятием по снижению последствий летнего жаркого периода в виде интенсивного развития синезеленых водорослей является снижение антропогенной составляющей биогенной нагрузки водохранилищ в бассейнах малых рек-притоков. 52 4 Предложения по проведению скоординированных мероприятий в рамках отдельных бассейнов волжского и москворецкого водоисточников Вопросы гарантированного количества воды, подаваемой для водоснабжения из водоисточников, всегда были и остаются приоритетными при создании подобных водохозяйственных систем. Однако, проблемы количества воды, как правило, решаются единовременно на далекую перспективу, а иногда, и вовсе теряют свою актуальность в силу различных причин. В отличие от проблем количества воды, вопросы качества воды постоянно привлекают внимание, поскольку, во-первых, от качества исходной для водопроводных станций воды в значительной степени зависит технологический режим и затраты на водоподготовку, во-вторых, колебания качества воды в широком диапазоне природных условий невозможно регулировать в водоисточниках так, как количество. Москворецкая и Волжская системы водоснабжения создавались в различное время по отдельным проектам и полностью автономны. Осуществленная в 1937 году переброска волжских вод на москворецкий склон Клинско-Дмитровской гряды и создание Восточной водопроводной станции, питающейся водами Учинского водохранилища, никак не повлияли на автономность работы существующей в то время на Москва-реке водопроводной станции в пос. Рублево. Сброс волжских вод для обводнения р. Москвы производится согласно проекту в Карамышевский бьеф ниже Рублевской плотины и существующая до сих пор возможность водозабора Рублевской станции из нижнего бьефа Рублевской плотины (т.е. волжских вод) до 1977 года являлась единственной точкой связи двух систем водоснабжения города. Ситуация изменилась в ноябре 1977 года, когда вступила в строй Вазузская гидротехническая система (ВГТС), созданная для увеличения водных ресурсов москворецкой системы за счет регулирования стока р. Вазуза – крупнейшего притока р. Волга на участке от ее истока до г. Тверь и устья в городе р. Тверцы. Эта система впервые связала москворецкий и волжский источники водоснабжения г. Москва. Вазузская система призвана была решить назревшие в то время проблемы с количеством воды, подаваемой в бурно растущий Юго-Запад города. Она успешно компенсировала недостаток воды в маловодные годы, подпитывая Москва-реку через Рузское водохранилище путем перекачки воды из Яузского водохранилища, использовавшего, в свою очередь, водные ресурсы зарегулированной Вазузы. Но как в период проектирования, так и в последующие годы вопросы качества воды, как бы ни были они актуальными в отдельные периоды, оставались без внимания. Возможности использования появившейся связи водоисточников для регулирования качества воды не рассматривались, поскольку виду отдаленности Вазузской системы влияние ее вод на качество воды у водозаборов станций было и остается крайне ограниченным. Кроме того, при регулировании водообмена этой системы всегда приходилось думать о сохранении резервов воды на случай маловодья. С середины 90-х годов в московском водоснабжении произошли важные перемены, позволившие резко снизить актуальность вопросов количества воды. Соответственно появилась возможность использовать Вазузскую систему, как связывающее звено двух автономных систем для регулирования качества воды. Для регулирования качества воды предполагается рассмотреть два мероприятия по использованию Вазузской системы. Первое – это регулирование цветности воды волжского 53 источника, и второе – переброска стока Вазузы для снижения интенсивности развития продукционных процессов в москворецком источнике. Регулирование цветности. Как известно, основная проблема волжского источника водоснабжения г. Москвы – это высокое содержание в воде органического вещества, которое определяет высокие значения двух основных показателей качества воды – цветности и перманганатной окисляемости. Об этой особенности было известно еще при проектировании, но при исключительно природной причине этой особенности, регулировать содержание органики крайне сложно. В связи с проектированием Ржевского водохранилища на Верхней Волге экспедицией МГУ был проведен 6-летний цикл учащенных гидрохимических наблюдений для прогноза качества воды в будущем водоеме и оценки его роли в снижения величины цветности и ее колебаний в волжской воде. Анализ изменчивости цветности и удельной электропроводности воды (характеристика ее минерализации) показал, что главный источник цветности – вода, сбрасываемая из Верхневолжского водохранилища в реку через бейшлот. По данным наблюдений были выделены в режиме цветности два ежегодно повторяющихся максимума цветности: в марте – от 70 до 105 град. Pt-Co-шкалы в зависимости от водности года и в сентябре-октябре от 90 до 110 град. Ниже бейшлота волжская вода несколько разбавляется менее цветной (до 56 град.) водой оз. Селигер, но ниже цветность снова повышается в паводки малыми притоками, в которых окраска воды достигает в Большой Коше 80, в Солодомне и Большой Итомле –60 град. [81]. Волжская система водоснабжения г. Москвы включает весь водосбор Иваньковского водохранилища на Верхней Волге, из которого через канал им. Москвы и ряд небольших водохранилищ водораздельного бьефа канала вода перекачивается в строго охраняемое в санитарном отношении Учинское водохранилище, питающего Восточную и Северную станции водоподготовки г. Москвы. Результаты многолетних наблюдений (1960–2004 гг.) за качеством воды позволили проанализировать трансформацию цветности (ЦВ) и перманганатной окисляемости (ПО), а также мутности в системе Волжского источника водоснабжения г. Москвы. При этом рассматривались отдельные участки сложной водохозяйственной системы источника водоснабжения, характеризующиеся различной интенсивностью водообмена и поэтому оказывающие различное влияние на трансформацию содержания ОВ: Иваньковское водохранилище, канал им. Москвы и водохранилища водораздельного бьефа, Учинское водохранилище. В этих основных водных объектах Волжского источника водоснабжения происходит существенное снижение среднемноголетних значений рассматриваемых показателей по мере перемещения речных вод Волги к водозаборам станций. Величина удерживающей способности (рассчитываемой по относительной убыли среднемноголетнего содержания ОВ или значения показателя качества воды в водном объекте) различается в отдельных участках системы (таблица 5). 54 Таблица 5 – Относительное снижение (в %) цветности, перманганатной окисляемости и мутности в различных участках волжского источника водоснабжения Участок системы ЦВ ПО Мутность Иваньковское 3 1 17 водохранилище Канал им.Москвы 13 8 16 Учинское водохранилище 21 11 42 Вся система (от Верхней 37 20 65 Волги до водозаборов) Главной причиной снижения содержания ОВ является интенсивность водообмена водоема (или участка системы), поэтому наибольший эффект снижения содержания ОВ наблюдается в Учинском водохранилище, характеризующемся самым низким коэффициентом водообмена [82, 83, 84]. Проточность водохранилищ водораздельного бьефа вместе с каналом им. Москвы близка к проточности Иваньковского водохранилища, но степень снижения цветности и ПО в них намного выше. Это объясняется наличием в Иваньковском водохранилище дополнительных источников повышенных значений содержания ОВ, а именно: впадающих в водохранилище ниже створа д. Городня рек Орша и Созь, вытекающих из обширных торфяных массивов. С созданием Вазузской гидротехнической системы в системе источников водоснабжения г. Москвы возникла уникальная возможность крупномасштабного регулирования качества воды в Волжской системе путем использования водных ресурсов созданной ВГТС. Возможность направленного воздействия на качество воды этого участка водоисточника основана на разбавлении высокоцветных вод Верхней Волги относительно малоцветными водами попусков из Вазузского водохранилища, что приводит к снижению цветности и окисляемости воды. Сбросами Вазузского водохранилища разбавляются воды участка р. Волга от истока до г. Зубцов, а именно на этом верхнем участке волжской части водосбора Иваньковского водохранилища притоки р. Волги оказывают наиболее существенное влияние на формирование стока органического вещества. В результате специального экспедиционного обследования притоки Волги были ранжированы по степени влияния на ЦВ и ПО Волги с учетом их водности. Ниже г. Ржев р. Волга принимает сравнительно небольшое количество притоков – рр. Бойня, Вазуза, Держа, Холохольня и уже перед г. Тверь – более крупный приток Волги на этом участке – р. Тьма. Эти притоки, в отличие от притоков верхнего участка, характеризуются сравнительно невысокими и мало изменяющимися значениями ЦВ и ПО. Цветность вод Вазузского водохранилища даже в периоды половодья не превышает 40 град., что значительно ниже, чем в эти же периоды в р. Волге выше г. Зубцов. Для оценки влияния попусков Вазузского водохранилища на цветность воды, поступающей в Иваньковское водохранилище, использована простая балансовая модель. Величину снижения цветности и окисляемости в р. Волге у г. Твери можно рассчитать из уравнения баланса цветности при полном перемешивании вод притоков. Это уравнение для рассматриваемого участка речной системы имеет вид уравнения (1): 55 ЦВВТ ЦВВОЛ ЦВБОК ЦВВАЗ 1 (1) где ЦВ ВТ – цветность вод р. Волга у г. Твери, ЦВ ВОЛ – цветность вод р. Волги у г. Зубцов, ЦВ БОК – цветность вод условного потока, образованного слиянием боковых притоков на участке р. Волги от г. Зубцов до г. Тверь, ЦВ ВАЗ – цветность вод, сбрасываемая из Вазузского водохранилища, – отношение расхода воды притоков р. Волги ниже г. Зубцов к расходу воды р. Волги у г. Тверь, – среднемноголетнее отношение цветности вод притоков р. Волги ниже г. Зубцов к цветности р. Волги у г. Зубцов, – параметр управления качеством воды, равный отношению попуска из Вазузского водохранилища к расходу воды в створе г. Тверь. Допущением приведенной балансовой модели является предположение о постоянстве величин и в период регулирования качества воды. Наиболее вероятным периодом регулирования предполагается осенний период, поскольку именно в это время наиболее актуально направленное снижение цветности вод водоисточника после высоких осенних паводков на Верхней Волге. В этот период расходы воды р.Волги изменяются, как правило, незначительно, поэтому это допущение вполне приемлемо. Актуальность вызвана тем, что этими водами заполненное Иваньковское водохранилище всю холодную часть года питает канал, его водохранилища и обе водопроводные станции, на которых технологический процесс коагуляции ОВ и обесцвечивания требует повышенных доз коагулянта. В связи с отсутствием оперативной информации об изменениях цветности и окисляемости вод в модели предполагалось постоянство их значений в притоках р. Волги и в сбросах из Вазузского водохранилища в период регулирования. Для расчета нами бы использованы значения параметров и , полученные обобщением многолетних данных о соотношении расходов воды в притоках Иваньковского водохранилища и данных экспедиционных обследований Верхней Волги. Для градаций цветности, в сбрасываемой из водохранилища воде в диапазоне 10-50 град., что соответствует реальным колебаниям цветности вазузских вод, получены простые номограммы, позволяющие оценивать величину снижения цветности волжских вод на участке между створами г. Зубцов и г. Тверь (рисунок 10). 56 50 45 Снижение цветности, град 40 35 Цр - Цв 30 70 60 50 40 30 25 20 15 20 10 0 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 альфа, % Рисунок 10 – Номограмма для расчета снижения ЦВ воды в р.Волга в результате попусков воды из Вазузского водохранилища Для наиболее вероятных ситуаций, когда величина не превышает 0,3, снижение цветности может составлять 8–10 град, что приводит к значительной экономии коагулянта при водоподготовке на станциях Волжского источника водоснабжения г. Москвы. Выводы раздела - В водохранилищах Волжского источника водоснабжения г. Москвы происходит существенное снижение содержания природного органического вещества – главного недостатка качества воды Волжского источника водоснабжения г. Москвы. Степень улучшения качества воды зависит от интенсивности водообмена водохранилища и максимальна в Учинском водохранилище. Цветность вод Верхней Волги – основного притока Иваньковского водохранилища – можно понизить попусками из Вазузского водохранилища. Эффективность этого регулирования цветности может быть рассчитана в зависимости от соотношения величины попуска из водохранилища и расхода Верхней Волги. - Необходимость проведения скоординированных мероприятий по улучшению качества воды в рамках отдельных бассейнов волжского и москворецкого водоисточников несомненна, но при условии ненарушения сложившейся к настоящему времени практики гарантированной подачи ежесуточных объемов воды к водозаборам всех водопроводных станций Мосводоканала. - В результате детального анализа всех имеющихся данных гидрологогидрохимических, биологических наблюдений и модельных расчетов считаем достаточно обоснованной следующие рекомендации: а) резервные запасы воды в водохранилищах ВГТС использовать для всемерного снижения цветности воды в Волжском водоисточнике путем предвесенней сработки воды из полезного объема ее водохранилищ для разбавления высокоцветных в это время вод, сбрасываемых из верхневолжского водохранилища через бейшлот, поскольку в 57 это время сток из оз. Селигер снижается до минимальных в году расходов малоцветной воды. Эта сработка полезного объема ВГТС соответствует диспетчерским правилам, предусматривающим возможно большую аккумуляцию вод половодья и наибольшую продолжительность их отстоя перед осенними паводками, когда снова требуются попуски воды для разбавления второй волны высокоцветной волжской и тверской воды в Иваньковском водохранилище. б) считаем не целесообразным использование Вазузкого стратегического резерва вод, особенно значимого ввиду отсутствия надежных долгосрочных прогнозов погоды и формирования стока в Верхневолжском бассейне, для кратковременных перекачек воды из ВГТС в летние жаркие дни в Москва-реку. Этим мероприятием не только снизится резерв водных ресурсов для выполнения главной задачи – улучшение питьевых качеств волжской воды, но и нет гарантии такой перекачкой улучшить качество воды в Рузском водохранилище и тем более в нижних бьефах всей Москворецкой системы. Для снижения концентрации фитопланктона в них следует совершенствовать мониторинг внедрением в него краткосрочных и среднесрочных модельных прогнозов состава воды в верхних и нижних бьефах всех 4-х водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования стока, с использованием эффекта селективности сброса воды через гидроузлы. А еще надежнее на долгосрочную перспективу – путем поочередной экологической реконструкции этих водохранилищ. - В случае возникновения в дальнейшем массового жилищного строительства на новой территории Москвы и потребности сооружения новых водопроводных станций на Москва-реке возможно появится необходимость регулярной перекачки воды из ВГТС. Тогда вся система каналов станет достаточно промытой током воды и при ее охране от загрязнений станет важным источником малоцветной и наименее трофной водной массы для москворецкого водоисточника. Но вместе с тем, по-видимому, снова возникнет вопрос о необходимости реализации Ржевского проекта для стабилизации водного режима и цветности в Волжском водоисточнике. 58 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Полнота решения поставленной задачи. В результате работы рассмотрены все известные в мировой практике методы регулирования процессов первичного продуцирования органического вещества в водохранилищах. Обоснованно выбраны направления рекомендаций по регулированию цветения в водохранилищах водоснабжения г. Москвы. Сформулированы два типа предложений по управлению развитием фитопланктона в условиях аномально жаркой погоды в летний период, которые следует считать единственно возможными в сложившейся практике эксплуатации источников водоснабжения г. Москвы. Рекомендации по конкретному использованию результатов НИР. Разработанные по результатам выполненного исследования предложения рекомендуется передать в ОАО «Мосводоканал» и Московско-Окское бассейновое управление для использования в практике оперативного регулирования стока водохранилищами системы водоснабжения г. Москвы. Обоснование эффективности управления качеством воды в полисекционном водохранилище и предложение по реконструкции существующих водохранилищ могут быть переданы в ОАО «Гидропроект». Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения НИР. Оценку технико-экономической эффективности внедрения НИР можно провести при реализации рекомендаций по управлению качеством воды и развитием фитопланктона в источниках водоснабжения на основе специальных экспериментальных работ по технологии очистки воды и оценки затрат на проектирование и реконструкцию хотя бы пионерного водохранилища, в в водоохранных секциях которого возможно управлять режимом уровня воды и внутренним водообменном, предотвращая цветение главной секции в жаркую погоду и/или в случае увеличения биогенной нагрузки на водоем. Результаты оценки научно-технического уровня НИР. Сравнение с лучшими достижениями в этой области. Разработанные рекомендации научно обоснованы с применением различных математических методов. Подобные рекомендации по управлению качеством воды в источниках водоснабжения крупных городов, равно как их научное обоснование в лимнологической науке и практике эксплуатации водохранилищ отсутствуют. Реконструкция москворецких водохранилищ в полисекционные водоемы – инновационное решение проблемы регулирования цветения в водохранилищах–источниках муниципального водоснабжения. Оно экологически и экономически предпочтительнее практикующегося в европейских странах сооружения водоохранных предводохранилищ. 59 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Водохранилища Москворецкой водной системы. М.: Изд-во МГУ, 1985, 268 с. 2 Можайское водохранилище. М.: Изд-во МГУ, 1979. 467 с. 3 Гончаров А.В., Ершова М.Г., Сахарова М.И., Эдельштейн К.К. Гидрологическая структура и распределение планктона в стратифицированном водохранилище в условиях ветрового воздействия // Биология внутренних вод, 2002, № 2. С .38–45. 4 Moss B., Madgwick J., Phillips G. A guide to the restoration of nutrient-enrichment shallow lakes. 1996. 180 p. 5 Mardsen M.W. Lake restoration by reducing external phosphorus loading: the influence of sediment release // Freshwater Biol., 1989, v.21. Р.139–162. 6 Benndorf J. Objectives and unsolved problems in ecotechnology and biomanipulation: A preface. // Limnologica (Berlin), 1988, v.19. Р.5–8. 7 Jernelov A. Aquatic ecosystems for the laboratory. // Vatten, 1970. v.26. РР.262–272. 8 Cooke G.D., Heath R.T., Kennedy R.H., McComas M.R. Change in lake trophic state and internal phosphorus release after aluminium sulfate application. // Water Res. Bull., 1982, v.18. Р.699–705. 9 Foy R.H., Fitzsimons A.G. Phosphorus inactivation in a eutrophic lake by the direct addition of ferric aluminium sulphate: Changes in phytoplankton populations // Ibid, 1987, v.17, №1. P.1–13. 10 Petterson K. Lake restoration – from dredging to biomanipulation // Limnological bases of lake management // Proc. of the ILEC/UNEP International Training Course. Tihany. Hungary, 1993. P.173–175. 11 Цветение воды и методы его ограничения и использования водорослей. Киев, 1976. C.98–103. 12 Hartman P., Kudrelka J. Prevention of gill-necrosea of fish by controlling photosynthetic assimilation of pond phytocoenosis // Bull. Vurh. Vodneny, 1980. P.11–15. 13 Ripl W. Biochemical oxidation of polluted lake sediment with nitrate. A new restoration method.// Ambio, 1976, v.5. P.312–315. 14 Gelin C. The restoration of freshwater ecosystems in Sweden // In.: Breaklown and restoration of ecosystems. Prenum Press, 1978. P.323–338. 15 Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 335 с. 16 Fast A.W., Lorenzen M.W., Glenn J.H. Comparative study with costs of hypolimnetic aeration // J. Env. Eng. Div, 1976. v.102. P.1175–1187. 17 Fast A.W., Lorenzen M.W. Synoptic survey of hipolimnetic aeration. // J. Env. Eng. Div., 1976. v.102. P.1161–1173. 18 Klapper H. Control of eutrophication in inland waters. New York, Ellis Horwood, 1991. 337 p. 19 Pastorok R.A., Ginn T.C., Lorenzen M.W. Review of aeration/circulation for lake management // Restoration of lakes and inland waters, USEPA 440/5-81-010, 1981. 560 p. 20 Fast A.W., Hulquist R.G. Supersaturation of nitrogen gas caused by artificial aeration in reservoirs. // Technic. Report E-82-9, Vicksburg. Miss, 1982. 82 p. 21 Bernhard H. Aeration of Wahnbach Reservoir // J. Amer. Waterworks Assoc, 1967, v.59. P.943–963. 60 22 Lorenzen M.W., Mitchell R. Theoretical effects of artificial destratification on algal production in impoundment // Envir. Sci. Technol, 1973, №7. P.939–944. 23 Ashley K.I. Hypolimnetic aeration of a naturally eutrophic lake: physical and chemical effects // Can. J. Fish. Aquat. Sci., 1983, v.40. P.1343–1359. 24 Cooke G.D., Welch E.B., Peterson S.A., Newroth P.R. Restoration and Management of Lakes and Reservoirs. Lewis Publishers, Ann Arbor, USA, 1993. 547 p. 25 Forsberg C. Lake restoration in Sweden // Schweiz. Z. Hydrol., 1987, v. 49. P.260–274. 26 Gibbons H.L., Wagner S.C. Restoration of lake Ballinger //Proc. Of Fifth Annual Conf. And Intern. Symp. On Applied lake and watershed management. North American Lakes Management Society – Lake Geneva, Wisconsin, 1986, v. 2. P.277–280. 27 Petterson K. Lake restoration – from dredging to biomanipulation // Limnological bases of lake management // Proc. Of the ILEC/UNEP International Training Course, Tihany, Hungary, 1993. P.173–175. 28 Oskam G. Main principles of water quality improvement in reservoirs // J.Water SRT – Aqua, 1995, v.44, Suppl.1. P.23–29. 29 Boemke J.R. Effects of aeration on lake Cachuma, California 1980-1982. // Proc. Of Third Annual Conf. North American Lakes Management Society, Knoxville, Tennessee, 1984. P.542–548. 30 Кондаков В.Н. Изъятие поверхностных загрязнений // Гидробиол. Журнал., 1975, №11. C.109–110. 31 Fiala L., Vasata P. Phosphorus reduction in a man-made lake by a small reservoir in the inflow // Arch. Hydrobiol., 1982, v.94. P.24–37. 32 McKnight D.M., Chisholm S.W., Harleman D.R.F. CuSO4 treatment of nuisance algal blooms in drinking water reservoir // Envir. Management, 1983, №7. P.311–320. 33 Сиренко Л.А., Мыслович В.А., Горюшин В.А., Михайлюк Д.П. Влияние инфекции АМ-1 на метаболизм синезеленой водоросли // Физиология растений, 1976, т.26, №6. C.1214– 1218. 34 Dawson F.H. The reduction of light as a technique for control of aquatic plants. An assessment. // In. Conference of aqutic weeds and their control wellebourne. U.K. 7-8 April, 1981. P.157–164. 35 Ohle W. Mineral impacts of lakes as background for their biogenic dynamics // Hidrobiologia, 1980, v.72. P.51–59. 36 Францев А.В. Очистной эффект Учинского водохранилища и некоторые пути его повышения // Тр. VI совещания по проблемам биологии внутренних вод. М.–Л.: Наука, 1959. C.247–259. 37 Hrbacek J., Dvorakova M., Korinek V. Prochazkova L. Demonstration of the effect of the fish stock on the species composition of zooplankton and the intensity of metabolism of the whole plankton association // Verh. Int. Verein. Limnol., 1961, v. 14. P.192–195. 38 Komarkova J. Fish stock as a variable modifying trophic pattern of phytoplankton // Hydrobiologia, 1998, v.369/370. P.139–152. 39 Гладышев М.И., Колмаков В.И., Дубовская О.П. Иванова Е.А. Изучение микроводорослевого спектра питания Daphnia longispina в периоды «цветения» эвтрофного водоема. // Докл. РАН, 2000, т.371, №4. C.556–558. 40 Гладышев М.И. Биоманипуляция как инструмент управления качеством воды в 61 континентальных водоемах // Биол. Внутр. Вод, 2001, №2. C.3–15. 41 Gulati R.D., Lammers E.H.R., Meijer M.L., Van Donk E. Biomanipulation: Tool for Water Management. Kluwer Acad. Publisher. Dordreht, 1990. 628 p. 42 Edmondson W.T., Abella E.B. Unplanned biomanipulation in Lake Washington // Limnologica (Berlin), 1988, v.19. P.73–79. 43 DeMelo R., France R., McQueen D.J. Biomanipulation – hit or myth? // Limnol. Oceanogr., 1992, v.37. P.192–207. 44 Klapper H. Eutrophierung und Gewasserschutz. Jena. Gustav. Fisher., 1992. 192 p. 45 Planning and Management of Lakes and Reservoirs: An Integrated Approach to Eutrophication. Technical Publication Series, N 11. Osaka/Shiga, 1999. 373 p. 46 Брагинский Л.П. Цветение воды в водохранилищах как проявление фундаментальных законов природы // Тез. Докладов III Всесоюзном симпозиуме «Антропогенное эвтрофирование природных вод», Черноголовка, 1983. С.14–16. 47 Olszewski P. Funfzehn Jahre Experiment auf dem Kortowo-Zee // Verh. Intern. Verein. Limnol., 1973, v.18. P.1972–1997. 48 Белолипецкий В.М., Кореньков В.А., Костюк В.Ю. Исследование гидрологического режима в приплотинной части водохранилища Красноярской ГЭС. Препринт ВЦ №20. Красноярск, 1983. 47 c. 49 Эдельштейн К.К. Исследование сброса воды из Можайского водохранилища // Комплексные исследования водохранилищ, вып.4. М.: Изд-во МГУ, 1978. C.160–169. 50 Gaillard J. Multulevel withdrawal and water quality // J. Env. Eng., 1984, v.110, №1. P.123–129. 51 Пуклаков В.В. Влияние разноуровенных сбросов на температурный режим долинного водохранилища // Современное состояние качества воды камских водохранилищ и мероприятия по предотвращению их загрязнения. Пермь, 1989. С.37–38. 52 Эдельштейн К.К., Пуклаков В.В. Управление качеством воды в стратифицированном водохранилище: оценка с помощью математического моделирования // Водные ресурсы, 1996, т.23, № 4. С.489–499. 53 Bendorf J., Putz K. Control of eutrophication of lakes and reservoirs by means of predam – I. mode of operation and calculation of the nutrient elimination capacity. // Water Research, 1987, v.21(7). P.829–838. 54 Nyholm N., Sorensen P.E., Olrik K., Pedersen S.D. Restoration of lake Nakskov Indrefjord Denmark, using algal ponds to remove nutrients from inflowing river // Prog. Wat. Technol., 1978, v.10. P.881–892. 55 Harper D. Eutrophication of Freshwaters. London, Chapman and Hall, 1992. 257 p. 56 Twinch A.J., Grobler D.C. Pre-impoundment as an eutrophication management option: a simulation study at Hartbeespoort Dam // Water SA., 1986, v.12. P.19–26. 57 Roveri C., Genon G., Orecchia M., Meucci L., Giacosa D., Cariddi A . Short-term prereservoir effects on river water quality // Reservoir Management and Water Supply – an Integrated System, v.2, Proc. Conf., Prague, 1977. P. 42–48. 58 Scharf W. Integrated water quality management of the Grobe Dhunn reservoir // Reservoir Management and Water Supply – an Integrated System, v.2, Proc. Conf., Prague, 1977. P.213–220. 62 59 Эдельштейн К.К. Экологические проблемы регулирования речного стока и реконструкция водохранилищ // Вестн. Моск. ун-та, сер. 5 География, 1994, № 5. С.52–58. 60 Эдельштейн К.К.. Даценко Ю.С. Экологические проблемы регулирования речного стока // Всероссийский конгресс работников водного хозяйства. Тез. докл. М.: МПР РФ, 2003. С.173–174. 61 Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. М.: ГЕОС, 1988. 277 с. 62 Покровская Т.Н., Миронова Н.Я., Шилькрот Г.С. Макрофитные озера и их эвтрофирование. М.: Наука, 1983. 153 с. 63 Эпштейн И.М. Фильтрация воды в пляжах Учинского водохранилища // Учинское и Можайское водохранилища. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1963. С.72–79. 64 Баклановская Т.Н. К познанию водорослей песчаного пляжа Учинского водохранилища // Учинское и Можайское водохранилище. М.: Изд-во МГУ, 1963. С.56–71. 65 Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К., Кременецкая Е.Р., Гашкина Н.А. Самоочищение вод Можайского водохранилища зимой // Водные ресурсы, 2002, Т.29, №6. С.711–720. 66 Чернега С.С., Эдельштейн К.К. Принципы гидроэкологической реконструкции долинных водохранилищ // Эколого-гидрологические проблемы изучения и использования водных ресурсов. Казань: АН РТ, 2006. С.452–455. 67 Goldyn R. Role of preliminary reservoirs in protection of the Maltanski Reservoir // Abstracts of II Intern. Conf. on Reservoir Limnology and Water Quality. Ceske Budejovice, 1992. Р.30. 68 Hoehn E. The effect of the pre-reservoir on the trophic state of an oligo-mesotrophic drinking-water reservoir (Kleine Kinzig) in the northern Black Forest, Germany // Abstracts of II Intern. Conf. on Reservoir Limnology and Water Quality, Ceske Budejovice, 1992. Р.35. 69 Putz K., Benndorf J. The importance of pre-reservoirs for the control of eutrophication of reservoirs // Reservoir Management and Water Supply – an Integrated System, vol.2. Prague, 1997. Р.165–171. 70 Хромов В.М., Радченко Л.Г., Быкова Н.И., Стрелкова З.Г., Трошков А.А. Влияние высшей водной растительности на формирование гидрохимического режима и качества воды питьевого водохранилища // Круговорот вещества и энергии в водоемах, вып.5. Иркутск, 1981. С.155–157. 71 Эйнор Л.О. Макрофиты в экологии водоема. М.: ИВП РАН, 1992. 256 с. 72 Францев А.В. Некоторые вопросы рациональной конструкции и эксплуатации водохранилищ и каналов // Технология очистки природных и сточных вод. М.: Моск. рабочий, 1977. С.176–184. 73 Францев А.В. Вопросы эксплуатации источников водоснабжения Москвы // Учинское и Можайское водохранилища. М.: Изд-во МГУ, 1963. С.9–15. 74 Храменков С.В., Волков В.З., Горбань О.М. и др. От истока до Москвы. М.: ПримаПресс-М, 1999. 312 с. 75 Храменков С.В. Существующее положение и перспективы развития систем водоснабжения и водоотведения г. Москвы // Проблемы водоснабжения Москвы и Московской области. М.: АН СССР, 1989. С.10–19. 63 76 Соколова Н.Ю., Эдельштейн К.К. Географические и биологические аспекты оценки надежности водообеспечения города Москвы // Проблемы водоснабжения Москвы и Московской области. М.: АН СССР, 1989. С.94–101. 77 Эдельштейн К.К., Заславская М.Б., Немальцев А.С. Экологические проблемы источников водоснабжения г. Москвы// Экологические исследования в г. Москве и Московской области. Состояние водных экосистем. М.: ИНИОН РАН, 1992. С.11–14. 78 Основные правила использования водных ресурсов водохранилищ Вазузской гидротехнической системы имени 60-летия Октября. М.: Министерство мелиорации и водного хозяйства РСФСР, 1981. 79 Мосводоканал сегодня. М.: МВК, 2000. 31 с. 80 Даценко Ю.С., Заславская М.Б. Балансовая оценка роли боковой приточности в формировании качества воды водохранилищ водораздельного бьефа канала им.Москвы // Водные ресурсы, 2012, №1. С.15–23. 81 Новикова Е.В., Эдельштейн К.К. О применении балансовой модели для прогноза качества воды в проектируемом долинном водохранилище // Водные ресурсы, 1990, №3. С.124–135. 82 Даценко Ю.С. Трансформация стока и состава органического вещества в москворецкой системе водоснабжения г. Москвы // Водное хозяйство России, 2009, № 2. С.26–34. 83 Даценко Ю.С. Роль Учинского водохранилища в улучшении качества волжской воды // Совершенствование системы водоснабжения г. Москвы. М.: Стойиздат, 1984. С.27– 29. 84 Даценко Ю.С. Обесцвечивание вод в водохранилищах питьевого назначения // Информ. Бюлл. ИБВВ АН СССР, 1987, № 75. С.54–57. 64
