1 Гидрологический режим водохранилищ водоснабжения г. Москвы

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
УДК 556.555
N госрегистрации 01201351955
Инв. № 62–06/3
УТВЕРЖДАЮ
Проректор МГУ
________________ В.Е. Подольский
Дата представления доработанного отчета "___" _________2013 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 3 «Основные закономерности гидротермического, гидрохимического
режима и условий развития фитопланктона в водохранилищах водоснабжения
г. Москвы в годы различной водности»
(промежуточный)
Руководитель темы
______________________ К.К. Эдельштейн
подпись, дата
Москва 2013
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы,
д-р географических наук,
профессор
__________________
подпись, дата
Ответственный исполнитель:
канд. географических наук, __________________
вед. науч. сотрудник
подпись, дата
К.К. Эдельштейн (введение, раздел 1)
Ю.С. Даценко (введение, раздел 2,
раздел 3, заключение)
Исполнители темы
канд. биологических наук,
вед. науч. сотрудник
__________________
подпись, дата
А.В. Гончаров (раздел 3.4)
канд. географических наук,
ст. науч. сотрудник
__________________
подпись, дата
В.В. Пуклаков (раздел 1)
канд. географических наук,
ст. науч. сотрудник
__________________
подпись, дата
М.Г. Гречушникова (раздел 2.1, 2.3)
канд. биологических наук,
ст. науч. сотрудник
__________________
подпись, дата
С.Л. Белова (раздел 3.4)
науч. сотрудник
__________________
подпись, дата
Д.И. Соколов (раздел 2.2)
инженер
__________________
подпись, дата
О.Н. Ерина (раздел 1.1)
2
РЕФЕРАТ
Отчет 233 с., 1 ч., 106 рис., 61 табл., 75 источников.
МОСКВОРЕЦКАЯ И ВОЛЖСКАЯ СИСТЕМА ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г. МОСКВЫ,
ВОДОХРАНИЛИЩА,
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ
РЕЖИМ
ВОДОХРАНИЛИЩ,
ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОДОХРАНИЛИЩ, ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ, ФИТОПЛАНКТОН.
Объект исследования. Водохранилища москворецкой и волжской систем
водоснабжения г. Москвы, процессы формирования и трансформации качества воды в их
экосистемах.
Цель работы. Проанализировать многолетние изменения гидрологического,
гидротермического и гидрохимического режимов водохранилищ систем водоснабжения
г. Москвы, выявить влияние водности года на гидрологическую структуру водохранилищ,
пространственно-временное распределение гидрохимических характеристик и условий
развития фитопланктона в водохранилищах.
Метод проведения работы. Анализ данных регулярных наблюдений мониторинга
волжской системы водоснабжения и результатов синхронных гидролого-гидрохимических
съемок водохранилищ москворецкой системы.
Результаты работы. В результате работы получено обобщение основных
закономерностей гидрологического, гидротермического и гидрохимического режимов
водохранилищ, показано влияние водности года и отдельных фаз притока на особенности
гидрологической структуры и различия в распределении химических и биологических
характеристик.
Рекомендации по внедрению. Результаты проведенного на данном этапе исследования
рекомендуется использовать в следующих областях:
- при разработке и верификации блока расчета тепломассообмена гидрологической
модели водохранилищ будут учтены особенности гидрологического режима водохранилищ в
годы различной водности, выявленные в ходе выполнения работы по третьему этапу;
- для формализации процессов первичного продуцирования в экологическом блоке
имитационной математического модели на основе выполненног в работе обобщения
закономерностей развития фитопланктона в водохранилищах;
- в качественном прогнозе многолетних изменений состояния экосистем
водохранилищ на основе выявленных многолетних тенденций гидрометеорологичских
условий в источниках водоснабжения г. Москвы;
- при планировании и совершенствовании систем мониторинга качества в источниках
водоснабжения г. Москвы;
Область применения результатов исследования. Результаты исследования могут быть
применения в следующих областях:
- разработка практических мер по управлению качеством воды источников
водоснабжения г. Москвы;
- разработке и реализации модельных расчетов пространственно-временных
изменений качества воды в водохранилищах;
- при планировании развития систем источников водоснабжения г. Москвы с учетом
ожидаемых изменений качества воды;
3
- в системе действующего мониторинга качества воды и при необходимости его
совершенствования;
Экономическая эффективность и значимость работы. Экономическая эффективность
данного исследования может быть оценена при реализации рекомендаций практических
мероприятий по регулированию процесса эвтрофирования водохранилищ-источников
водоснабжения г. Москвы, разработка которых планируется на завершающем этапе работы.
Прогнозные предложения о развитии объекта исследований. Совершенствование
технологических процессов эксплуатации действующих и перспективных систем источников
водоснабжения г. Москвы необходимо развивать с учетом возможностей управления
качеством воды в водохранилищах при возникновении аномальных природных явлений, что
принципиально возможно путем реконструкции водоемов или обоснованного изменения
существующего режима регулирования стока гидроузлами.
Отчет за третий этап в соответствие с календарным планом включает три раздела.
В разделе 1 (гидрологический режим водохранилищ) последовательно рассматриваются
географические факторы формирования гидрологического режима водохранилищ и дается
характеристика режима москворецких и волжских водохранилищ. В первом подразделе
особое внимание уделено анализу климатических изменений в Московском регионе.
Отмечено, что с начала 70-х годов в Московском регионе наблюдается период потепления
климата с устойчивым ростом среднемноголетней температуры воздуха со средней
скоростью 0,21 °C/10 лет. Для оценки влияния экстремально жарких периодов на экосистемы
водохранилищ разработаны специальные критерии. За критерий «жаркости» вегетационного
периода принято количество дней заданной обеспеченности с максимальной температурой
воздуха, превышающей 25 °C. На основе этого критерия и 64-летнего ряда наблюдений
за температурой воздуха в Подмосковье было выделено 5 типов вегетационных сезонов
по температурным условиям.
Анализ многолетних рядов водного баланса москворецких водохранилищ показал, что
в последнее 20-летие в верховьях бассейна р. Москвы увеличилась климатически
обусловленная изменчивость водного стока (годового, и особенно внутригодового)
из-за увеличения водности преимущественно осенних паводков. Тем не менее, основным
фактором в дестабилизации уровенного режима водохранилищ служит не водный сток
питающих водохранилища рек, а режим сработки полезного объема в предшествующий
водохозяйственный год. Установлено, что факторы предвесенней сработки водохранилищ
и объемы
весеннего
половодья
закладывают
основу
для развития
продукционно-деструкционных процессов в вегетационный период. При общих
закономерностях формирования летней структуры вод в водохранилищах, каждое из них
обладает индивидуальными особенностями, которые обеспечивают различия в объемах,
времени образования, расположения и длительности существования летних водных масс и,
тем самым, приводят к отмечающемуся разнообразию развития фитопланктона в разных
водохранилищах системы.
В водном режиме водохранилищ канала им. Москвы за последнее десятилетие
наиболее существенные изменения гидрологического режима водохранилищ связаны
в большей степени не с гидрологическими факторами, а с изменением интенсивности
эксплуатации его водных ресурсов. За это время потребление воды на водоснабжение
снизилось на 24%, обводнение рек – на 30%, судоходство – на 6% (а по сравнению с 90-ми
4
годами – на 30%), перекачка волжской воды – на 18%, внешний водообмен – на 17%.
Интенсивность водообмена водоемов водораздельного бьефа остается высокой
(за исключением отстойного Учинского водохранилища). По мере продвижения волжской
воды по водораздельному бьефу происходит ее полное смешение с водным притоком
с водосбора его водохранилищ. В результате на выходе из бьефа доля волжских вод
составляет 75–85%, в водозаборы Учинского водохранилища попадает 96%, а Клязьминского
водохранилища – 76–89% волжской воды.
Раздел 2
отчета
(анализ
многолетних
данных
по гидротермическому
и гидрохимическому режиму водохранилищ) включает обобщение многолетних данных
по гидротермическому режиму водохранилищ и представляет особенности формирования
гидрохимического режима водохранилищ – источников водоснабжения г. Москвы.
Результаты исследований показывают, что в термическом режиме водохранилищ
прослеживается увеличение продолжительности вегетационного периода и eго части
с повышенными температурами воды. Увеличение максимальной температуры воды
и теплосодержания водной массы в летний период приводит к смещению сроков
наступления осенней гомотермии на более поздние даты. Наблюдается смещение сроков
перехода характерных температуры воды (0,2, 4 и 10 °С) на более ранние даты весной
и более поздние даты осенью. Прослеживается тенденция уменьшения средней толщины
льда. Возникновение температурной стратификации в водохранилищах и глубина слоя
температурного скачка полностью зависит от синоптических ситуаций в летний период и
в разные годы могут значительно различаться даже в одном водоеме.
При анализе гидрохимического режима рассматриваются особенности формирования
химического стока на водосборах водохранилищ, закономерности изменений химического
состава, особенно содержания биогенных и органических веществ в водохранилищах, дана
характеристика донных отложений, которые в последнее время рассматриваются как важный
фактор внутренней биогенной нагрузки на экосистемы водоемов. В подразделе,
посвященном формированию химического стока на водосборе, установлено, что нагрузка
фосфором москворецких водохранилищ выше в годы с большей водностью. С увеличением
водности года возрастает влияние паводков на водный сток и приток фосфора, т. е. доля
летне-осенних паводков выше в средневодные и многоводные годы. Доля весеннего
половодья и летне-осенних паводков в годовом стоке фосфора выше, чем их доля в водном
стоке. Особенность основного водосбора Волжского источника водоснабжения – высокое
содержание органического вещества гумусовой природы и высокая цветность вод,
характерна для всех его водохранилищ. Роль частных водосборов водохранилищ
водораздельного бьефа КИМ в формировании приходной части водного стока невелика.
Однако, эти водосборы хорошо освоены в хозяйственном отношении, расположены
в густонаселенных районах Москвы и Московской области и испытывают значительные
антропогенные нагрузки.
Из-за особенностей режима регулирования стока возникают различия в характере
круговорота фосфора в москворецких водохранилищах и по этому признаку их можно
подразделить на две группы:
- Можайское и Рузское;
- Истринское и Озернинское.
5
Более высокий трофический уровень второй группы водоемов (Озернинское и
Истринское) и, соответственно, их более высокая продуктивность, а также более поздняя
сработка (во второй половине лета), способствуют накоплению в них органического
вещества
автохтонного
(внутриводоемного)
происхождения.
Типичной
чертой
гидрохимического режима москворецких водохранилищ стало образование и развитие
обширных анаэробных зон в их глубинных слоях в течение вегетационного периода.
Особенно значительны эти зоны аноксии в Озернинском и Истринском водохранилищах.
Анаэробные условия в гиполимнионе оказывают глубокое влияние на круговорот
химических веществ, в первую очередь биогенных элементов, в экосистеме водохранилищ.
В водохранилищах Волжской системы происходит резкое улучшение качества воды
по большинству показателей, что обусловлено интенсивными
внутриводоемными
процессами самоочищения в экосистемах водохранилищ.
Показатели качества воды,
связанные с антропогенным загрязнением вод обнаруживают многолетние тенденции
увеличения значений, несмотря на отсутствие явно выраженной тенденции увеличения
речного стока в бассейне Иваньковского водохранилища. В следующей части раздела
представлена характеристика донных отложений водохранилищ. Результаты специальных
экспедиционных исследований этого вопроса показывают, что развитие процессов
формирования
комплекса
донных
отложений
в водохранилищах – источниках
водоснабжения г. Москвы соответствует известным теоретическим представлениям:
толщина отложений со временем растет, темпы заиления уменьшаются, содержание
органического вещества увеличивается.
Заключительная часть второго раздела посвящена анализу закономерностей развития
фитопланктона в москворецких и волжских водохранилищах.
Обобщением данных многолетних наблюдений как экспедиционных, так
и регулярных режимных (лабораториями Мосводоканала) показано, что москворецкие
водохранилища по биомассе фитопланктона характеризуются мезотрофно-эвтрофным
уровнем продуктивности. По возрастанию продуктивности они могут быть ранжированы
в ряду
следующим
образом:
Можайское – Рузское – Озернинское – Истринское.
Определенное значение для уровня продуктивности имеет относительная глубоководность
водохранилища. Волжские водохранилища характеризуются заметно более низким уровнем
развития фитопланктона, чем москворецкие. В сезонных изменениях биомассы
фитопланктона наблюдаются два пика – весенний, связанный с развитием диатомовых
водорослей и летне-осенний пик развития цианобактерий. В Можайском водохранилище
преобладание летом цианобактерий в отдельные годы сменяется доминированием
пирофитовых водорослей.
В заключительном
разделе
отчета
(закономерности
гидротермического,
гидрохимического режима и условий развития фитопланктона в водохранилищах
водоснабжения г. Москвы в годы различной водности) представлен анализ особенностей
термического, гидрохимического режимов и рассматриваются различия в условиях развития
фитопланктона в годы различной водности. Показано, что в водохранилищах москворецкой
системы наблюдаются более высокие значения температуры воды в придонных горизонтах
в годы с низким уровнем воды, а в годы с уровнем близким к НПУ и малой сработкой
в течение летнего периода следует ожидать болеем низких значений температуры воды
у дна, что в сочетании с периодами жаркой погоды может обусловить значительное
6
термическое расслоение, благоприятствующее формированию зон аноксии. Специальные
исследования изменений гидрологической структуры вод в годы различной водности,
проведенные с использованием математической модели формирования структуры водных
масс (СВМ) позволили установить, что в маловодные годы нагрузка водохранилища
аллохтонным фосфором сокращается вдвое. Возрастает, следовательно, роль накопленных
зимой в осенней модификации основной водной массы (ОВМ) автохтонных биогенных
веществ. Для их выноса из придонных горизонтов особенно важна не только весенняя
конвекция, но и частая смена погоды летом с чередованием фаз усиления стратификации в
антициклоническую погоду и ее разрушения в циклоническую.
Влияние водности на гидрохимический режим москворецких водохранилищ
иллюстрируется анализом особенностей распределения гидрохимических характеристик,
полученных по данным экспедиционных гидрохимических съемок в годы различной
водности. В результате выявлены главные черты формирования гидрохимического фона
в водохранилище в вегетационный период. В маловодные годы нагрузка водохранилища
аллохтонным фосфором сокращается вдвое, возрастает, следовательно, роль накопленных
зимой в осенней модификации ОВМ автохтонных биогенных веществ. В многоводные годы
главной особенностью формирования химического состава вод водохранилищ является
замедление их водообмена во вторую фазу половодья. Вследствие этого в водохранилищах
сохраняется стратификация водных масс, которая оказывает неблагоприятное влияние
на особенности продукционных процессов в летний период.
Концентрации большинства показателей качества воды в Волжском источнике
водоснабжения г. Москвы в многоводные годы увеличиваются вследствие существования
прямой связи между расходами воды в реках и содержанием биогенных и органических
веществ. В маловодные годы более резко проявляется влияние сточных вод г. Тверь,
т.к. в этот период ухудшаются условия разбавления загрязнений в верхней части
Иваньковского водохранилища.
Также как при анализе гидрохимического режима особенности продукционных
процессов рассматриваются на примере описания развития фитопланктона в годы различной
водности. Этим анализом установлено, что характер погоды в летний период оказывает
существенное влияние на видовую структуру фитопланктона и количественное развитие.
При пониженных летних температурах и преобладании циклональной погоды биомасса
водорослей минимальна и резко возрастает при длительной антициклональной погоде.
Для массового развития синезеленых водорослей до уровня «цветения» важно сочетание
факторов: повышенной солнечной радиации и разрушения устойчивости водной толщи
после штормового перемешивания. Устойчивая температурная стратификация в летний
период оказывает существенное воздействие на доступность биогенных элементов в слое
эпилимниона: резко ограничивается подток биогенов в эвфотическую зону, скорость
фотосинтеза зависит от скорости регенерации биогенов в слое металимниона, а также
от ветрового перемешивания толщи воды.
В заключении отчета формулируются общие выводы проведенного обобщения
многочисленных
материалов
исследования
гидроэкологического
состояния
водохранилищ - источников водоснабжения г. Москвы.
7
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................................15
1 Гидрологический режим водохранилищ водоснабжения г. Москвы ...............................17
1.1 Географические факторы гидрологического режима ..................................................17
1.1.1 Климатическая характеристика территории водосборов водохранилищ ...... 17
1.1.2 Морфологические особенности водохранилищ .................................................... 38
1.1.3 Антропогенное воздействие ...................................................................................... 40
Выводы раздела .........................................................................................................................42
1.2 Гидрологические особенности водохранилищ ...............................................................44
1.2.1 Общие закономерности гидрологического режима систем
водоснабжения г. Москвы .................................................................................................. 44
1.2.2 Москворецкие водохранилища ................................................................................ 46
1.2.3 Водохранилища Волжской системы водоснабжения ........................................... 71
Выводы раздела .........................................................................................................................88
2 Анализ многолетних данных по гидротермическому и гидрохимическому режиму
водохранилищ источников водоснабжения г. Москвы ..........................................................90
2.1 Гидротермический режим водохранилищ ......................................................................90
2.1.1 Общая характеристика термического режима ..................................................... 90
2.1.2 Многолетние колебания термического режима.................................................... 90
2.1.3 Внутрисезонный ход температуры воды ................................................................ 92
2.1.4 Термическая стратификация в водохранилищах ................................................ 94
Выводы раздела .........................................................................................................................96
2.2 Гидрохимический режим водохранилищ .......................................................................97
2.2.1 Ландшафтная характеристика водосборов и формирование химического
состава воды притоков водохранилищ............................................................................ 97
2.2.1.1 Ландшафты водосборов .......................................................................................... 97
2.2.1.2 Химический состав воды в малых реках на водосборах водохранилищ ........... 99
2.2.2 Гидрохимический режим Москворецких водохранилищ ................................. 106
2.2.3 Гидрохимический режим Волжских водохранилищ ......................................... 124
2.2.4 Донные отложения водохранилищ ........................................................................ 151
Выводы раздела .......................................................................................................................157
3 Закономерности гидротермического, гидрохимического режима и условий развития
фитопланктона в водохранилищах водоснабжения г. Москвы в годы различной
водности..........................................................................................................................................160
3.1 Закономерности гидротермического режима водохранилищ ..................................160
Выводы раздела .......................................................................................................................167
3.2 Гидрологическая структура водохранилищ ................................................................169
Выводы раздела .......................................................................................................................174
8
3.3 Закономерности гидрохимического режима водохранилищ ....................................175
3.3.1 Водохранилища москворецкой системы .............................................................. 175
3.3.2 Водохранилища Волжской системы водоснабжения ......................................... 190
Выводы раздела .......................................................................................................................194
3.4 Условия развития фитопланктона в водохранилищах ..............................................195
3.4.1 Основные закономерности развития фитопланктона в водохранилищах
водоснабжения г. Москвы ................................................................................................ 195
3.4.2 Фитопланктон водохранилищ водораздельного бъефа канала им. Москвы 195
3.4.3 Фитопланктон Москворецких водохранилищ .................................................... 204
3.4.4 Анализ влияния гидрометеорологических особенностей года на условия
развития фитопланктона в водохранилищах .............................................................. 215
Выводы раздела .......................................................................................................................223
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................225
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...............................................................229
9
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими
определениями:
Апвеллинг – подъем глубинных вод на поверхность в результате сгона ветром вод
поверхностного слоя в другой район водоема.
Биогенные вещества – вещества (в том числе химические элементы), необходимые
для существования живых организмов.
Вариация – характер изменчивости ряда значений при его линеаризации.
Вегетационный сезон – период года, в который по метеорологическим условиям
возможен рост и развитие растений (фитопланктона).
Взвешенные вещества в воде – вещества, находящиеся в водоеме во взвешенном
состоянии.
Водная масса – большой объем воды, соизмеримый с размерами водного объекта,
характеризующийся однородностью основных характеристик и сформировавшийся в
определенном географическом районе.
Водность года – количество воды, проходящей по рекам в течение года.
Водный баланс – соотношение за какой-либо промежуток времени прихода, расхода
и аккумуляции воды в водном объекте.
Водообмен – совокупность физических процессов, приводящих к смене воды в
водном объекте.
Водораздельный бьеф – участок шлюзованного водного пути, занимающий высшее
положение по отношению к соседним участкам.
Водосбор – часть земной поверхности и толща почв и горных пород, откуда вода
поступает к водному объекту.
Водохозяйственный год – расчетный годичный период, начинающийся с самого
многоводного сезона.
Водохранилище – искусственный водоем для накопления воды с целью ее
использования для водопотребления.
Гидрологическая структура водохранилища – пространственное сочетание
разнородных водных масс в водном объекте.
Гидрологический режим – совокупность закономерно повторяющихся изменений
гидрологического состояния водного объекта.
Гидролого-гидрохимическая экспресс-съемка – квазисинхронные наблюдения с
отбором проб воды на гидрологических станциях, распределенных по акватории водоема, с
целью выделения водных масс различного происхождения.
Гиполимнион – нижний слой воды в стратифицированном водоеме.
Даунвеллинг – погружение поверхностных вод при нагоне у наветренного берега
водоема.
Донные отложения – осевшие из воды на дно и уплотнившиеся с течением времени
минеральные и органические вещества.
Дрейфовые течение – течение в водоеме, вызываемое воздействием ветра на водную
поверхность.
10
Заболоченность водосбора – доля (обычно выражаемая в процентах) болот на
территории водосбора в общей площади водосбора.
Ионный сток – количество главных ионов химического состава воды, стекающий с
поверхностным и подземным водным стоком с водосбора водотока или водоема за
определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год).
Качество воды – характеристика состава и свойств воды, определяющая ее
пригодность для конкретных видов водопользования.
Кислородный режим – закономерные изменения содержания растворенного
кислорода в водном объекте.
Конвекция – процесс вертикального перемешивания воды под действием силы
тяжести.
Кривая обеспеченности – интегральная кривая, показывающая обеспеченность
превышения (в процентах) данной величины среди общей совокупности ряда.
Межень – фаза водного режима реки, характеризующаяся наиболее низкой
водностью, возникающей вследствие резкого уменьшения притока воды с водосбора.
Минерализация воды – суммарное содержание всех найденных при химическом
анализе воды минеральных веществ.
Окисляемость воды – величина, характеризующая содержание в воде органических
и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при
определенных условиях.
Органические вещества в воде – содержание соединений углерода с другими
элементами в природных водах.
Паводки – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в
различные сезоны года, характеризуется интенсивным, обычно кратковременным
увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время
оттепелей.
Плотностное течение – поступательное движение воды, вызванное горизонтальным
градиентом плотности воды.
Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных
климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей в году
водностью и вызываемая снеготаянием.
Седиментация – оседание под действием силы тяжести взвешенных в воде
различных примесей.
Сейши – стоячие волны большого периода на водоемах.
Слой температурного скачка – относительно тонкий слой в водоеме с резким
изменением вертикального градиента температуры воды относительно выше и ниже
лежащих слоев.
Стоковое течение – поступательное движение воды в водоеме, вызванное
горизонтальной составляющей гидростатического давления при наличии уклона водной
поверхности.
Термическая стратификация – разделение водной толщи водоема на слои с
различной температурой.
Термоклин – горизонт в водоеме с максимальным значением вертикального
градиента температуры в слое температурного скачка.
11
Трофогенный слой – поверхностный слой в водоеме, в котором происходит
увеличение массы водорослей.
Трофолитический слой – глубинный слой водоема, в котором преобладают
процессы разложения органического вещества клеток водных организмов.
Цветность воды – показатель качества воды, характеризующий интенсивность
окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных органических соединений.
Электропроводность воды – показатель, характеризующий способность воды
проводить электрический ток.
Эпилимнион – верхний слой воды в стратифицированном водоеме.
12
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Сv – коэффициент вариации.
КVo – коэффициент регулирования стока.
М – модуль стока.
Nмин – содержание в воде минерального азота.
Nобщ – содержание в воде общего азота.
Р – статистическая обеспеченность явления.
Рвзв – взвешенная в воде фракция фосфора.
Рмин – содержание воде минерального фосфора.
Робщ – содержание воде общего фосфора.
Рраст – растворенная в воде фракция фосфора.
рН – водородный показатель, характеризующий активность ионов водорода в воде.
r – коэффициент корреляции.
RТР – приток общего фосфора.
Q – расход воды.
ТР – содержание в воде общего фосфора.
W – объем водного стока.
БО – бихроматная окисляемость воды.
БПК – биологическое потребление кислорода.
ВВ – основная весенняя водная масса водохранилища.
ВЗ – основная зимняя водная масса водохранилища.
ВЛ – основная летняя водная масса водохранилища.
ВВБ – водохранилища водораздельного бьефа канала имени Москвы.
ВВС – Восточная водопроводная станция.
ВВЦ – Всероссийский выставочный центр.
ВГТС – Вазузская гидротехническая система.
ВМ – водные массы.
ВМО – Всемирная метеорологическая организация.
в/п – водомерный пост.
ГГСС – гидролого-гидрохимическая синхронная съемка.
ГМВ-МГУ – гидрологическая модель водохранилища, разработанная на кафедре
гидрологии суши географического факультета МГУ.
ГТК – гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова.
ГЭС – Гидроэлектростанция.
ДВ – донная весенняя водная масса.
ДЗ – донная зимняя водная масса.
ДЛ – донная летняя водная масса.
Ив – Истринское водохранилище.
Кв – коэффициент водообмена.
КИМ – канал имени Москвы.
м/ст – метеостанция.
Мв – Можайское водохранилище.
МВ – минеральные вещества.
13
МВК – Мосводоканал.
МГУ – Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова.
МО МГУ – метеорологическая обсерватория Московского государственного
университета.
НПУ – Нормальный подпорный уровень.
Ов – озернинское водохранилище.
ОВ – органическое вещество.
ОВМ – общая водная масса.
ПО – перманганатная окисляемость воды.
п/п – паромная переправа.
ПВ – весенние паводки.
ПЛ – летние паводки.
ПО – осенние паводки.
РВ – речная весенняя водная масса.
РЗ – речная зимняя водная масса.
РЛ – речная летняя водная масса.
РП – речная водная масса паводков.
Рв – Рузское водохранилище.
РГС – район гидротехнических сооружений.
РФ – Российская Федерация.
СВМ – состав водных масс.
СВС – Северная водопроводная станция.
СК – свободная конвекция.
СТЦ – синоптический температурный цикл.
ТМО – тепломассообмен.
ТСХА – Тимирязевская сельскохозяйственная академия.
ТЭЦ – теплоэнергоцентраль.
УГМС – управление гидрометеорологической службы.
ФАР – фотосинтетически активная радиация.
ФГБУ – федеральное государственное бюджетное учреждение.
ФГУП – федеральное государственное унитарное предприятие.
ХПК – химическое потребление кислорода.
ЦЛ – циркуляция Ленгмюра.
14
ВВЕДЕНИЕ
Современное состояние решаемой научно-технической проблемы. Примерно с
середины ХХ столетия явление эвтрофирование водоемов заняло центральное место в
проблемах качества воды источников водоснабжения. Это связано с тем, что, во-первых,
водоснабжение крупных городов и урбанизированных комплексов во всем мире базируется
на регулировании стока водохранилищами, которые стали главными водными объектами
источников водоснабжения. Во-вторых, для этого типа водных объектов наиболее серьезные
последствия антропогенного загрязнения состоят в повышении интенсивности развития
фитопланктона, что приводит к увеличению содержания органического вещества в
экосистеме и создает определенные трудности в процессе подготовки питьевой воды.
Главный недостаток разработанной в середине прошлого века концепции
эвтрофирования водоемов – оценка трофического состояния водоемов – источников
водоснабжения на стационарном (среднемноголетнем) уровне. Этот недостаток не позволяет
получить ответ на ряд важных практических вопросов, связанных с расчетом и прогнозом
развития фитопланктона в конкретном водоеме в отдельно взятый период времени.
Дальнейшими исследованиями было показано, что экосистемы водоемов настолько
индивидуальны, а влияние внешних природных и антропогенных факторов настолько
изменчиво во времени и пространстве, что использование глобальных и стационарных
оценок оказывается слишком общим для решения конкретных практических задач. Поэтому
в последнее время акценты в исследованиях эвтрофирования переместились в область
имитационного моделирования экосистем отдельных водоемов с учетом их индивидуальных
особенностей. К сожалению, несмотря на очевидную перспективность этого направления
успехи науки пока далеки от желаемых, и в настоящее время какие- либо универсальные
методы решения проблемы эвтрофирования отсутствуют.
Актуальность и новизна темы. Эвтрофирование относится к числу явлений,
проявляющихся во всех географических зонах и на всех континентах, т.е. имеющих
глобальный характер. Актуальна эта проблема и для источников водоснабжения г. Москвы,
в которых решающую роль играют водохранилища, расположенные в верховьях
гидрографической сети р. Москвы и в водораздельном бьефе канала им. Москвы. Несмотря
на то, что исследования качества воды этих водохранилищ ведутся уже давно, на многие
важные вопросы об их экологическом состоянии пока не получены ответы. Причина этого –
отсутствие серьезных обобщений результатов многолетних наблюдений и исследований,
акцентированных на оценку закономерностей и особенностей функционирования экосистем
этих водохранилищ. Такое положение, в свою очередь, вызывает некоторую
неопределенность в оценке состояния москворецкого водоисточника и небезосновательные
опасения повышения частоты отрицательных последствий эвтрофирования для качества
воды у водозаборов водопроводных станций.
Основание и исходные данные для разработки темы. Для реализации целей
настоящего этапа исследований по теме собраны и обобщены материалы многолетних
наблюдений за состоянием москворецких и волжских водохранилищ и, прежде всего,
наиболее изученных из них – Можайского и Учинского водохранилища. Необходимо
подчеркнуть, что результаты, полученные на этих водохранилищах, в силу близости
15
ландшафтных особенностей и климатических характеристик водосборов, во многих случаях
могут быть обоснованно перенесены на остальные москворецкие водохранилища.
Обоснование необходимости проведения НИР. Необходимость проведения
настоящего
этапа
НИР
обусловлено
отсутствием
полноценных
обобщений
гидрологического, гидротермического и гидрохимического режима водохранилищисточников водоснабжения г. Москвы. Важность этого обобщения для решения конечной
задачи исследования – разработки рекомендаций по управлению процессом эвтрофирования
водохранилищ невозможно переоценить, поскольку в исследованиях процессов
функционирования водных экосистем абиотическим факторам развития
процессов
первичного продуцирования придается первостепенное значение.
Планируемый научно-технический уровень разработок. Исключительная сложность и
многофакторность процессов, определяющих динамику экосистем водохранилищ,
отсутствие устойчивых и надежных критериев, превращает задачу оценки современного
состояния водных экосистем в глубокое самостоятельное исследование, эффективность
которого в значительной степени зависит от уровня информационного обеспечения.
Достаточно высокий научно-технический уровень решения поставленных задач на данном
этапе исследований обеспечивается наличием качественного исходного материала для
гидролого-гидрохимического и гидробиологического анализа и существующим заделом в
виде ряда специальных исследований процессов формирования качества воды в
водохранилищах москворецкой и волжской систем водоснабжения г. Москвы.
Цели и задачи настоящего этапа исследований по теме. Созданию математической
модели водохранилища, включающей как блок описания внутреннего водообмена, так и
экологический
блок
должен
предшествовать
глубокий
анализ
особенностей
гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режима водоема. Подобный
анализ базируется на обобщении материалов, как регулярного мониторинга водохранилища,
так и эпизодических экспедиционных обследований водоемов, проводимых с целью
изучения закономерностей режима функционирования экосистем водоемов.
Такой анализ составляет главную цель настоящего (третьего) этапа работы
по исследовательской теме, посвященной изучению влияния жарких периодов
на продукционные процессы в водохранилищах волжской и москворецкой систем
водоснабжения г. Москвы. В соответствии с техническим заданием этапа в настоящем отчете
последовательно представляются результаты аналитического обобщения гидрологического
режима, закономерностей многолетних изменений гидротермического и гидрохимического
режима водохранилищ и анализ влияния водности года на особенности абиотических
и биотических факторов развития биологических процессов в водохранилищах.
16
1 Гидрологический режим водохранилищ водоснабжения
г. Москвы
1.1 Географические факторы гидрологического режима
1.1.1 Климатическая характеристика территории водосборов водохранилищ
На первом этапе работы по данной теме была разработана схема иерархии факторов,
определяющих развитие процессов первичного продуцирования во внутренних водоемах.
Согласно этой иерархии гидрологический режим водохранилищ относится к нижнему
уровню комплекса абиотических факторов и определяется факторами верхнего уровня:
особенностями климата, ландшафта водосбора, ложа водохранилища и его грунтов,
антропогенным воздействием на водоем и его водосбор. Поэтому в данном разделе отчета
рассмотрим географические факторы верхнего уровня, оказывающие непосредственное
влияние на гидрологический режим водохранилищ системы водоснабжения г. Москвы.
Все водохранилища системы расположены в одной климатической зоне в центре
европейской части России на территории г. Москвы и Московской области.
Метеорологические условия районов расположения водохранилищ близки друг к другу, хотя
и могут несколько различаться в зависимости от удаленности от Московского мегаполиса, на
климат которого существенное влияние оказывает урбанизированность территории. Для
анализа климатических условий использовались данные наблюдений двух метеостанций: для
Москворецкого водоисточника – метеостанция г. Можайска, а для Волжского - метеостанция
ВВЦ г. Москвы. Анализировался совместный ряд наблюдений на этих метеостанциях за
период времени с 1949 по 2012 годы.
По классификации Алисова [1] территория г. Москвы и области относится к поясу
континентального климата умеренных широт, в котором преобладают воздушные массы,
трансформированные из морских воздушных масс умеренного и арктического поясов. В
связи с большой изменчивостью атмосферной циркуляции наблюдается непостоянство
погоды, иногда довольно резкая её смена. Для того, чтобы оценить, в каких условиях
происходило развитие фитопланктона и продукционно-деструкционных процессов в
водохранилищах системы после их сооружения, проанализируем режим основных
климатических характеристик территории их расположения и определимся с понятием, что
же такое «жаркий период» в течение годового климатического цикла.
Температура воздуха. Анализ многолетних рядов метеорологических наблюдений
показал, что с конца 40-х годов отмечается синфазная тенденция роста годовой температуры
воздуха, которая наблюдается по всему земному шару [2]. Устойчивый переход к
относительно безвозвратному росту в Москве произошел около 1980 г. и продолжается по
настоящее время. При этом рост температуры с 1975 г. составляет по сглаженным
десятилетиям около 0,25 °C/10 лет. Если рассматривать все предыдущее столетие, то следует
отметить, что в целом климат Москвы и Московской области имеет тенденцию к
потеплению. Наиболее ярко и значительно она прослеживается в годовых температурах
(∆ / 100 лет = 2,3 °C) и температурах холодного сезона (∆ / 100 лет = 3,2 °C). Рост
среднемесячной температуры воздуха наиболее интенсивно происходит в апреле
(∆ / 100 лет = 3,2 °C), в то время как в июле отмечаются сравнительно малые тенденции
потепления (∆ / 100 лет = 1,3 °C) [2].
17
Отмеченное потепление выразилось в существенном увеличении количества теплых
дней в году, задержке наступлении зимы, более мягких зимах с продолжительными и
частыми оттепелями. Что касается распределения температур по месяцам, то они отличаются
в зависимости от периода осреднения. Сравнение климатических норм среднемесячной
температуры за периоды 1961–1990 гг., 1971–2000 гг. и 1981–2010 гг., графически
представленных на рисунке 1, говорит об увеличении в последние десятилетия зимних
(декабрь–январь) и летне-осенних температур (июль–октябрь).
Рисунок 1 – Климатические нормы среднемесячных температур по данным
метеостанции г. Москва – ВВЦ
Годовая среднемноголетняя температура воздуха по данным метеостанции ВВЦ
в Москве составляет 5,2 °C, а за период 1981–2010 гг. – 5,8 °C. В Можайске эти величины
составляют 4,6 °C и 5,1 °C, соответственно. В наиболее теплые в последнее время 2007
и 2008 годах среднегодовая температура г. Москвы превышала +7,0 °C, а в Можайске она
составляла 6,4 и 6,6 °C. Наиболее четко характер изменения климата в Московском регионе
показывает график изменения среднемноголетней температуры воздуха ТN в Можайске
(рисунок 2) по мере увеличения периода осреднения N:
(1)
где Tn – среднегодовая температура воздуха, °C.
18
Рисунок 2 – Изменение среднемноголетней температуры воздуха на метеостанции
г. Можайск по мере увеличения периода осреднения с 1949 по 2012 гг.
Этот рисунок показывает, что с начала 70–х годов в Московском регионе начинается
период потепления, в котором с 1988 года и по настоящее время наблюдается устойчивый
рост среднемноголетней температуры воздуха со средней скоростью 0,21 °C/10 лет. Для
оценки влияния изменения климата на процессы продуцирования в водохранилищах все же
больший интерес представляет оценка характера изменений метеорологических
характеристик в вегетационный период. Поэтому рассмотрим аналогичные изменения
многолетней среднемесячной температуры воздуха за этот же период времени для каждого
календарного месяца (таблица 1).
Таблица 1 – Скорость изменения среднемесячной температуры воздуха, ºС/10 лет.
Метеостанция г. Можайск
Период
I
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
наблюдений
1988–2000 0,80 0,75 0,53 0,35 –0,06 0,16 0,11 0,04 0,00 0,10 –0,12 0,09 0,23
2001–2012 0,30 –0,04 0,25 0,18 0,17 0,01 0,39 0,25 0,21 0,13 0,34 0,11 0,19
1988–2012 0,55 0,36 0,39 0,27 0,06 0,09 0,25 0,15 0,11 0,11 0,11 0,10 0,21
Из этой таблицы видно, что устойчивый рост среднемноголетней температуры
воздуха в течение последних 25 лет с 1988 г. по 2012 г. обеспечивался достаточно
неравномерным
ростом
среднемесячных
температур.
Наиболее
интенсивно
(больше 0,20 °C/10 лет) росли среднемесячные температуры января–марта, апреля и июля.
Обращает на себя внимание то, что внутри этого периода рост среднемесячных температур
происходил неодинаково. В 1988–2000 годах общее потепление климата обеспечивалось
интенсивным ростом среднемесячных температур в январе–апреле, то есть в период
ледостава на водоемах региона. В летние месяцы отмечался рост среднемесячных
температур в июне–июле, причем в несколько раз меньший, чем в зимние месяцы. В
остальные месяцы вегетационного периода он был незначительным, а в мае даже
отрицательным. В 2001–2012 годах темпы потепления несколько снизились, а максимум
19
роста среднемесячных температур сместился с января на июль. В этот период наблюдается
интенсивный рост среднемесячной температуры в июле–сентябре и в ноябре, то есть
в последние годы общее потепление климата обеспечивается в большей степени ростом
среднемесячных температур как раз в вегетационный период.
В целом за весь период наблюдений самым холодным месяцем года в Москве и
Подмосковье является январь (его средняя температура составляет −8,1 °C на ВВЦ и −8,7 °C
в Можайске), а самым тёплым — июль (соответственно, +18,8 °C и +17,8 °C). Зимой
(особенно в декабре и феврале) часты оттепели, вызываемые атлантическими и реже
средиземноморскими циклонами. Они, как правило, непродолжительны, средняя
длительность их 4 дня. В последние годы это соотношение несколько изменилось
(рисунок 3): самым холодным месяцем стал февраль (−8,8 °C по м/ст Можайск), самым
теплым месяцем остался июль, но его среднемесячная температура увеличилась в 2001–
2012 годах до +19,8 °C. Существенно возросла она также в мае, августе, сентябре
(на 1,2-1,5 °C) и особенно в ноябре (на 2,8 °C).
Размах колебаний среднесуточной температуры воздуха в регионе составляет
от −42,2 °C (в январе 1940 г.) до +38,2 °C (в июле 2010 г.). В случае объединения рядов
наблюдений метеостанции ТСХА, которая являлась опорной метеостанцией Москвы
до 1949 г., и ВВЦ, получается ряд длиной более 140 лет (1879–2012 гг.), анализ которого дает
представление о средних и экстремальных значениях температуры воздуха в Московском
регионе (таблица 2). Зима на территории г. Москвы и Московской области начинается
в середине ноября и продолжается по вторую половину марта. Продолжительность
холодного периода со среднесуточной температурой ниже 0 °C (климатическая зима)
составляет в среднем за весь период наблюдений на метеостанции ВВЦ 124 дня,
а за последние 30 лет (1981–2010 гг.) – 117 дней. В целом продолжительность климатической
зимы в последние годы сократилась, в основном за счет более позднего ее начала; помимо
этого, стали более частыми и продолжительными оттепели.
Климатическая весна в Москве обычно наступает в третьей декаде марта, когда
среднесуточная температура становится устойчиво положительной и начинает сходить
снежный покров.
Рисунок 3 – Годовой ход среднемесячной температуры воздуха на м/ст Можайск
в конце XX и начале XXI века
20
Таблица 2 – Температура воздуха, ºС. г. Москва, 1879 г. – 2012 г.
Абсолютный
Абсолютный
Средний
Средний
Месяц
минимум
Средняя
максимум
минимум
максимум
(год)
(год)
январь
–42,2 (1940)
–9,1
–6,5
–4,0
8,6 (2007)
февраль –38,2 (1929)
–9,8
–6,7
–3,7
8,3 (1989)
март
–32,4 (1913)
–4,4
–1,0
2,6
17,5 (2007)
апрель
–21,0 (1879)
2,2
6,7
11,3
28,9 (2012)
май
–7,0 (1885)
7,7
13,2
18,6
33,2 (2007)
июнь
–2,3 (1916)
12,1
17,0
22,0
34,7 (1901)
июль
1,3 (1886)
14,4
19,2
24,3
38,2 (2010)
август
–1,2 (1885)
12,5
17,0
21,9
37,3 (2010)
сентябрь
–8,5 (1881)
7,4
11,3
15,7
32,3 (1890)
октябрь –16,1 (1960)
2,7
5,6
8,7
24,0 (1915)
ноябрь
–32,8 (1890)
–3,3
–1,2
0,9
14,5 (2010)
декабрь –38,8 (1892)
–7,6
–5,2
–3,0
9,6 (2008)
год
–42,2 (1940)
2,1
5,8
9,6
38,2 (2010)
Средняя продолжительность климатического лета (период со среднесуточной
температурой выше +10 °C) по данным за весь период наблюдений на метеостанции
ВВЦ - 139 дней, а за последние 30 лет (1981–2010 гг.) – 142 дня (около 5 месяцев).
В последние десятилетия вегетационный период увеличился, в мае и сентябре практически
не наблюдается отрицательных температур. Волны жары стали отмечаться чаще и
интенсивнее. В последние годы наметилась тенденция к мощным выносам тепла в ноябре и
начале декабря, начало климатической зимы и установление снежного покрова сейчас
приходится на вторую декаду декабря. Весенние похолодания стали менее
продолжительными и интенсивными, например, последний снегопад наблюдается обычно в
середине-конце апреля, а не во второй декаде мая, как раньше.
В
среднем
плюсовая
температура
держится
в
Москве
194 суток,
минусовая - 103 суток. Зимний (холодный) сезон длится с 1 ноября по 15 апреля, летний
(теплый) – соответственно с 16 апреля по 31 октября.
Атмосферные осадки. По количеству атмосферных осадков территория Подмосковья
относится к зоне достаточного увлажнения умеренного пояса. Среднемноголетнее
количество осадков, выпадающих в Москве за год, составляет за весь период наблюдений
678 мм (в Можайске – 625 мм), а за последние 30 лет – 704 мм (в Можайске – 671 мм).
Интервал, в котором изменяется количество выпавших за год осадков, составляет 485 мм,
минимальным количеством во второй половине ХХ века характеризовался 1964 год (397 мм),
максимальным – 2008 г. (882 мм). В Можайске эти величины составляли, соответственно,
383 мм (1964 г.) и 944 мм (1998 г.).
Календарный анализ колебаний годовых осадков в Можайске за период с 1949 г. по
наше время (рисунок 4) показал, что в 1950–60-х годах в целом наблюдался интенсивный
рост количества осадков, в 1970–2000-х годах он стабилизировался, а в начале XXI века
вновь прослеживается тенденция к дальнейшему росту количества осадков.
21
Рисунок 4 – Колебания среднегодовых осадков на м/ст Можайск в 1949–2012 гг.
Что касается распределения количества выпадающих осадков по месяцам (данные
приведены в таблице 3), максимальное количество выпадающих осадков приходится на
июнь и август (в среднем 70–90 мм, может достигать 213 мм/мес (июль 2004 г.)), а
минимальное – на март и апрель (в среднем 34–37 мм). Две трети атмосферных осадков в
году выпадает в виде дождя, одна треть – в виде снега. Зимой во время оттепелей и в
переходные периоды выпадает значительное количество смешанных осадков.
Таблица 3 – Характерные значения атмосферных осадков (мм) в Московском регионе в
1948–2012 гг.
г. Москва–ВВЦ
г. Можайск
Период
МаксиМиниМаксиМиниСреднее
Год
Год Среднее
Год
Год
мум
мум
мум
мум
I
46
98
2005
5
1972
35
79 2004 2 1972
II
39
94
1966
2
1984
32
79 1966 2 1951
III
36
88
1966
6
1986
30
65 1966 8 1986
IV
37
98
1986
8
1960
36
114 1970 5 1979
V
55
120 1976
7
1986
58
125 1974 10 1970
VI
74
162 1991
4
1951
76
157 1949 6 1964
VII
85
180 2008
6
1997
83
213 2004 18 1963
VIII
78
163 1973
20
1955
74
212 2003 8 1955
IX
62
131 1996
12
2005
59
155 1990 5 1949
X
63
166 1997
1
1987
55
147 2002 0 1987
XI
53
140 1977
4
1993
46
134 1977 1 1993
XII
50
112 1981
13
1953
41
89 1981 9 1963
Год
678
882 2008
397 1964
625
944 1998 383 1964
Теплый период
454
675 1991
233 1964
441
734 1998 231 1964
(апрель–октябрь)
Холодный период
234
378 1966
100 1953
184
322 1966 74 1953
(ноябрь–март)
22
На рисунке 5 показано внутригодовое распределение осадков в различные периоды
времени. Из него видно, что с началом устойчивого потепления в конце 80-х годов
произошло заметное изменение во внутригодовом распределении осадков. В 1988–2000 гг.
в январе-марте осадки увеличились на 30–50%, в сентябре–октябре – на 20%, а в апреле, мае
и июне уменьшились на 11–17% по сравнению с предшествующим периодом. В следующий
период 2001–2012 гг. зимнее количество осадков практически не изменилось, зато
существенно возросло в мае-июне (на 15–27%), в октябре-ноябре (на 23–34%) и резко
уменьшилось в сентябре (на 23%). Таким образом, с начала периода устойчивого потепления
в 1988 году и по настоящее время количество осадков в среднем существенно выросло в
зимний период, в июне, августе и октябре-ноябре, а уменьшилось – в апреле и июле.
В последнее десятилетие наблюдается заметное снижение осадков в сентябре.
Рисунок 5 – Внутригодовое распределение осадков на м/ст Можайск в 1949–2012 гг.
Влажность воздуха. Влажность воздуха характеризуется количеством водяного пара,
содержащегося в атмосфере, степенью насыщенности воздуха водяным паром и недостатком
насыщения. У относительной влажности имеется четко выраженный годовой ход, обратный
ходу температуры воздуха. В холодный период года относительная влажность в Москве
составляет в среднем 83–88% и мало меняется в течение суток. В летний период (с мая по
август) – время годового минимума относительной влажности – в дневные часы её значения
составляют 50–55%, в ночное время соответственно понижению температуры воздуха
влажность увеличивается в среднем до 80%. Сравнительно с суточными, межсуточная
изменчивость относительной влажности гораздо больше. Ее максимальные величины в
зависимости от сезона колеблются в пределах 65–85%. В отличие от межсуточных,
межгодовые колебания средних месячных характеристик влажности, особенно в зимние
месяцы, гораздо более устойчивы.
В таблице 4 приведено распределение относительной влажности (в %) по месяцам как
за весь период наблюдений, так и за последние 30 лет. Среднегодовая относительная
влажность воздуха по данным наблюдений на метеостанции ВВЦ составляет 78–79%. Как
видно из таблицы, существенных изменений за последние 30 лет не произошло и во
внутригодовом ходе влажности воздуха.
23
Таблица 4 – Распределение среднемесячной относительной влажности воздуха (%)по
данным метеостанции г. Москва – ВВЦ
Период
I
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Среднее (1948–2011 гг.) 86 83 77 70 66 69 72
76 80 83 87 87 78
Среднее (1982–2011 гг.) 87 83 76 70 68 73 75
78 82 85 87 87 79
Что же касается распределения влажности воздуха по сезонам, то средняя
относительная влажность воздуха за холодный период (с ноября по март) составляет 84%.
Распределение экстремальных значений относительной влажности по месяцам приведено
в таблице 5.
Таблица 5 – Распределение максимальных и минимальных среднемесячных значений
относительной влажности воздуха (%) по данным метеостанции г. Москва – ВВЦ
Характеристика
I
II
III
IV
V
VI VII VIII IX
X
XI XII
Минимум, %
78
70
68
61
51
55
54
62
69
73
80
80
Максимум, %
92
89
86
81
79
81
83
87
89
90
93
94
Календарный анализ колебаний абсолютных годовых значений влажности в
Можайске за период с 1955 г. по наше время (рисунок 6) показал, что в связи с потеплением
климата в конце XX – начале XXI вв. в Московском регионе в целом наблюдался слабый
рост абсолютных годовых значений влажности воздуха.
Рисунок 6 – Колебания среднегодовых значений влажности воздуха на м/ст Можайск
Ветровой режим. В соответствии с преобладанием в условиях умеренных широт
западного переноса воздушных масс, в зимней розе ветров Москвы наиболее часты западные
и юго-западные ветры, летом – западные и северо-западные (рисунки 7-9).
В зимнее время над Москвой и областью обычно располагается северо-западная
периферия области повышенного давления, которая находится на большей частью
Европейской территории России. В соответствии с таким распределением давления в
Московском регионе в холодный период года преобладают юго-западные, южные и
западные ветры. При юго-западных и южных ветрах часто наблюдаются оттепели. Гораздо
реже бывают ветры северо-западного, северо-восточного и восточного направлений. Они
связаны обычно с антициклонами, расположенными в северной половине Европейской
территории России.
24
Летом Москва и область больше находятся в области пониженного давления, которая
распространяется над северной частью Европейской территории России. К северу от неё, над
арктическими морями, располагается область повышенного давления, так называемого
Азорского максимума. С апреля-мая, когда увеличивается повторяемость северо-западных и
северных ветров, преобладающее направление выражено слабо.
Если оценивать, в соответствии с РД 52.44.2-94, устойчивость направлений ветра по
индексу устойчивости С, то оказывается, что Москва относится к категории слабой
стабильности (С<40). Большее его постоянство характерно для холодного сезона, меньшее –
для теплого. В последнее десятилетие в тренде индекса С прослеживается отчетливая
тенденция его уменьшения [2]. Наиболее часто в Московском регионе наблюдаются
скорости ветра 2–5 м/с. Повторяемость скоростей более 10 м/с несущественна: зимой
не более 0,3%, летом – не более 0,1%.
Важной характеристикой ветрового режима являются максимальные порывы ветра,
которые существенно превышают средние значения его скорости. За период с 1977
по 2001 гг. в районе Воробьевых гор г. Москвы максимальная скорость порывов ветра
достигала 28 м/с [2]. В таблице 6 приведена повторяемость направлений ветра и штилей
различных направлений для метеостанции г. Москва – ВВЦ.
Таблица 6 – Повторяемость направлений ветра и штилей, % по данным наблюдений
на метеостанции г. Москва – ВВЦ, период наблюдений 1948–2012 гг.
Направление I
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII год
С
9 10 7 13 16 17 17
14 14 10 8
7
12
СВ
4
5
5
9
9
9
10
8
8 4
5
4
7
В
7
9 10 12 9
10
9
9
8 6
8
8
9
ЮВ
12 16 19 15 12
9
9
7
9 10 13 14 12
Ю
14 15 16 15 14 12 11
10 12 17 17 17 14
ЮЗ
20 15 14 12 13 12 12
16 16 20 19 20 16
З
23 18 18 14 14 15 16
20 19 22 21 20 18
СЗ
11 12 11 10 13 16 16
16 14 11 9 10 12
штиль
13 15 15 20 27 29 33
35 32 20 13 12 22
Средняя месячная скорость ветра с ноября по март на относительно открытых местах
составляет около 4 м/с. В период прохождения циклонов скорость ветра преимущественно
равна 8–12 м/с, но наблюдаются отдельные порывы со скоростью более 20 м/с. Вследствие
значительной разницы в давлении по территории в холодный период средняя скорость ветра
примерно на 1 м/с больше чем в теплый. Летом, когда преобладают процессы
трансформации воздушных масс, скорость ветра составляет в среднем 2–3 м/с. Днем в связи
с развитием конвективных процессов турбулентность атмосферы увеличивается, и скорость
ветра на относительно открытых местах достигает 5 м/с. В холодный период года суточный
ход скорости ветра выражен слабо.
25
Рисунок 7 – Роза ветров (в среднем за год) по данным метеостанции ВВЦ
(1948–2011 гг.)
Рисунок 8 – Роза ветров (январь) по данным метеостанции ВВЦ (1948–2011 гг.)
Рисунок 9 – Роза ветров (июль) по данным метеостанции ВВЦ (1948–2011 гг.)
26
Среднегодовая скорость ветра за весь период наблюдений в Москве составила 2,6 м/с,
а в Можайске – 3,0 м/с (таблица 7). В теплый период скорости ветра в среднем на 0,7 м/с
меньше, чем в холодный период года.
Таблица 7 – Среднемесячная и годовая скорость ветра по данным 1949–2012 гг.
Метеостанция
I
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII год
г. Москва – ВВЦ
2,7 2,8 2,9 2,8 2,5 2,4 2,2 2,1 2,4 2,8 3,0 3,2 2,6
г. Можайск
3,4 3,3 3,2 2,9 2,7 2,5 2,2 2,3 2,6 3,3 3,6 3,6 3,0
Анализ колебаний среднегодовых значений скорости ветра в Можайске за период
с 1949 г. по настоящее время (рисунок 10) показал, что до конца 80–х годов прошлого века в
целом наблюдалось плавное снижение скорости ветра, а с начала периода устойчивого
потепления имеет место ее интенсивное уменьшение. Среднегодовое значение скорости
ветра за период времени с 1949 по 1987 гг. составляла 3,3 м/с, с 1988 по 2000 гг. – 2,8 м/с, а
с 2001 по 20012 гг. – 2,1 м/с.
Рисунок 10 – Колебания среднегодовых значений скорости ветра на м/ст Можайск
На рисунке 11 показано внутригодовое распределение среднемесячных значений
скорости ветра в различные периоды времени. Из него видно, что при неизменном характере
внутригодового распределения за последние 25 лет идет устойчивое, хотя и неравномерное,
снижение среднемесячных значений скорости ветра.
Рисунок 11 – Внутригодовое распределение среднемесячных значений скорости ветра
на м/ст Можайск в 1949–2012 гг
27
Облачность. По
данным
Метеорологической
обсерватории
Московского
государственного университета (МО МГУ), с 1954 по 2002 гг. в г. Москве наблюдался
статистически значимый положительный тренд среднего за год количества общей и нижней
облачности [2]. Количество общей облачности за этот период увеличилось
на 9,6% (0,7 балла), а нижней – на 14,8% (0,8 балла). Тенденция к увеличению облачности
прослеживается во все месяцы, что связывается с ростом повторяемости циклонических
процессов. Однако по данные наблюдений на метеостанции г. Можайска такой тренд не
прослеживается. Среднемноголетнее значение общей облачности составляет 6,8 балла.
Во внутригодовом распределении минимальные значения среднемесячной общей облачности
(рисунок 12) наблюдаются в мае–августе (5,5–6,2 балла), максимальные – в зимние
месяцы (8,0–8,5 баллов).
Рисунок 12 – Внутригодовое распределение среднемесячных значений общей
облачности на м/ст Можайск в 1949–2012 гг.
Радиационный режим. Измерения солнечной радиации в Москве проводятся только в
Метеорологической обсерватории МГУ. По данным этой обсерватории [2], с 1994 года
в Москве отмечается существенное уменьшение аэрозольной мутности атмосферы (то есть
увеличение ее прозрачности), связанное как с отсутствием в этот период значительных
вулканических извержений, так и с сокращением антропогенных выбросов в связи со спадом
промышленного производства. Тем не менее, тренд прямой солнечной радиации,
поступающей на горизонтальную поверхность, практически отсутствует. За последние 45 лет
отмечается наличие статистически незначимой тенденции к уменьшению рассеянной
(на 4,3%) и суммарной (на 2,6%) интегральной солнечной радиации. Основной причиной
отрицательного тренда приходящей солнечной радиации считается увеличение облачности.
Что касается результирующей радиационного баланса, определяющей тепловое
состояние подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха – их нагревание или
охлаждение, то во все месяцы, за исключением апреля, июня и сентября, отмечается
тенденция к увеличению ее значений.
28
Для процессов фотосинтеза очень важной составляющей интегральной солнечной
радиации является так называемая фотосинтетически активная радиация (ФАР, 380-710 нм).
В МО МГУ наблюдения за суммарной ФАР проводились с 1980 по 2001 гг. В среднем за
весь период наблюдений ФАР составила 1218 МДж/м2, изменяясь от 1061 МДж/м2 в 1987 г.
(на 13% ниже нормы) до 1394 МДж/м2 в 1992 г. (на 14% выше нормы) при средней
изменчивости 6%. В целом за период наблюдений для характера изменений режима ФАР
характерна цикличность. Так с начала 80-х годов ФАР уменьшалась от 1300 МДж/м2 до
1100 МДж/м2 в 1987-1988 гг. Примерно с начала 90-х годов прослеживается тенденция к
постепенному увеличению суммарной ФАР почти до уровня начала 80-х годов. Таким
образом, четко выраженная тенденция к увеличению или уменьшению ФАР за период
наблюдений отсутствует.
Жаркие периоды. В метеорологической литературе понятия «жаркий период», как
такового, не существует. Наиболее распространенным является термин «засуха», сходный по
смыслу. Согласно метеорологическому словарю [3] «засуха – это длительный период весной
или летом с осадками значительно ниже нормы при повышенных температурах воздуха, в
результате чего иссякают запасы влаги в почве и создаются неблагоприятные условия для
нормального развития растений, а урожай полевых культур снижается или гибнет». В этом
же словаре приводится такое понятие, как атмосферная засуха – «состояние атмосферы,
характеризующееся недостаточным выпадением осадков, высокой температурой и
пониженной влажностью». Термин «засуха» встречается также и в нормативных
документах [4,5,6] с определением, сходным по смыслу с приведенным выше.
Что касается критериев, на сайте ФГБУ «Центральное УГМС» [6] встречаются
следующие формулировки:
- Сильная жара (температура воздуха в градусах С): максимальная температура
выше +30 °C;
- Аномально жаркая (теплая) погода: среднесуточная температура выше нормы
на 7 °C и более в течение минимум 5 дней;
- Засуха атмосферная: в период вегетации сельхозкультур отсутствие эффективных
осадков (более 5 мм в сутки) за период не менее 30 дней подряд при максимальной
температуре воздуха выше 25ºС (в южных районах РФ – выше 30 ºС). В отдельные дни (не
более 25% продолжительности периода) возможно наличие максимальных температур ниже
указанных пределов.
Для количественной оценки атмосферной засухи в агрометеорологии наиболее
широко используется гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК), который
рассчитывается по формуле (2):
(2)
где P – сумма осадков, выпавших за месяц,
– сумма среднесуточных
температур выше 10 °C. Различным ситуациям соответствуют следующие значения [7]:
ГТК<0,4 – очень сильная засуха; 0,4≤ГТК<0,5 – сильная засуха; 0,5≤ГТК<0,7 – средне
засушливо; 0,7≤ГТК≤1,0 – недостаточно влажно; 1,0<ГТК≤2,0 – достаточно влажно;
ГТК>2,0 – переувлажнено.
29
Поскольку большинство водохранилищ все же находится за чертой г. Москвы, то в
настоящей работе для оценки термических условий в летний период были проанализированы
ряды наблюдений на метеостанции г. Можайск за 1949–2012 гг. Были выделены периоды с
аномально жаркой погодой, с атмосферной засухой, а также рассчитаны ГТК.
Выделение жарких периодов. Для выделения периодов с аномально жаркой погодой
были рассчитаны отклонения от нормы среднесуточных температур воздуха. Исходя из
технического регламента Всемирной метеорологической организации (ВМО) [8], под нормой
подразумеваются средние величины, вычисленные для однородного и сравнительно
длительного периода времени, охватывающего, по крайней мере, три последовательных
десятилетних периода. В связи с этим весь ряд наблюдений был разделен на 2 периода:
1949–1980 и 1981–2012 гг., отвечающим регламенту ВМО и установленному по
длиннорядным (с 1879 г.) наблюдениям в г. Москве переходу в начале 80-х годов аномалий
годовой температуры воздуха выше 0 °C [2]. Для этих периодов были рассчитаны
ежесуточные нормы температуры воздуха, с которыми и сравнивались данные наблюдений.
В результате были выделены 10 лет с наблюдавшимся превышением нормы
среднесуточной температуры воздуха в вегетационный период более, чем на 7 °C в течение
минимум 5 суток («аномально жаркая погода»). При этом в 2007 и 2010 гг. были выделены
по 2 таких периода. Как видно из таблицы 8, половина из всех выделенных периодов
приходится на май, по 2 случая – на июнь и август, и по 1 случаю – на июль и сентябрь.
Таблица 8 – Периоды с аномальной жарой в Московском регионе за период
наблюдений с 1949 по 2012 гг.
Дата
Дата
ПродолжительГод
начала
окончания
ность, сут
периода
периода
1955
14.09
19.09
5
1958
25.05
30.05
5
1963
20.05
25.05
5
1979
23.05
31.05
8
1981
21.06
26.06
5
1995
23.05
29.05
6
1996
08.05
15.05
7
1998
10.06
15.06
5
2007
26.05
31.05
5
2007
20.08
25.08
5
2010
20.07
29.07
9
2010
01.08
11.08
10
Что касается атмосферной засухи, по данным метеостанции Можайск не было
выделено ни одного года, в котором наблюдались бы периоды, продолжительностью более
30 суток, в которых доля дней с отсутствием эффективных осадков и максимальной
температурой выше 25 °C составляла бы более 75%.
Результаты расчетов по критерию Селянинова показали, что данный параметр,
хорошо зарекомендовавший себя при анализе агрометеорологических условий
влагообеспеченности сельскохозяйственных культур, не отображает в полной мере условий
жаркого периода при анализе климата. Так, например, в таблице 9 приведены те годы, в
которые согласно значениям ГТК наблюдалась очень сильная засуха. Как видно, здесь нет ни
30
одного из лет с аномальной по причиненному ущербу и последствиям жарой (например,
1972 или 2010 гг.).
Таблица 9 – Годы с очень сильной засухой в Московском регионе за период
наблюдений с 1949 по 2012 гг.
Значение
Год
Месяц
ГТК
1949
9
0,15
1955
8
0,14
1963
7
0,32
1964
6
0,23
1968
6
0,35
1970
5
0,12
1979
6
0,34
1981
7
0,12
1992
7
0,35
1999
6
0,24
2005
8
0,29
Критерий выделения жарких и аномально жарких вегетационных сезонов. В связи с
тем, что ни один из приводящихся критериев выделения экстремально жарких периодов не
отражает реально наблюдавшихся метеорологических ситуаций, для анализа был
использован ранжированный ряд по количеству наблюдавшихся дней в году, в которые
максимальная температура воздуха превышала 25 °C (приведен в таблице 10). Осадки в
качестве критерия не использовались, так как жаркая погода чаще всего сопровождается их
отсутствием, а кратковременные, даже интенсивные осадки, не являются типичными для
жарких периодов и представляют собой скорее исключение.
Таблица 10 – Ранжированный ряд по количеству наблюдавшихся жарких дней.
Метеостанция г. Можайск, период наблюдений 1949–2012 гг.
Кол–во
Кол–во
Кол–во
Кол–во
дней с
Год
дней с
Год
дней с
Год
дней с
Год
T>25°C
T>25°C
T>25°C
T>25°C
64
2010
29
2012
20
1973
12
1960
48
1972
29
1986
20
1985
11
1982
45
2002
28
2003
20
2004
10
1949
40
1999
26
1963
19
1975
10
1958
39
1988
26
1998
16
1956
10
1980
39
2011
25
2006
16
1966
10
1984
38
2001
24
1959
16
1991
10
2000
38
2007
24
1979
15
1952
9
1987
37
1995
23
1953
15
1969
9
1990
35
1981
23
1967
15
1970
7
1974
32
1989
23
2005
15
1994
7
1978
32
1997
22
2008
14
1951
5
1976
31
1968
21
1955
14
1983
5
1993
31
1992
21
1977
13
1957
3
1950
31
1996
20
1961
13
1971
3
1962
30
1954
20
1964
13
2009
2
1965
31
Как видно из таблицы 10, количество наблюдавшихся дней с максимальной
температурой, превышающей 25 °C, наиболее адекватно отражает метеорологические
ситуации, наблюдавшиеся в действительности.
Также по этим данным была построена эмпирическая кривая обеспеченности
количества дней с максимальной температурой, превышающей 25 °C (представлена
на рисунке 13), которая легла в основу для создания градации вегетационных сезонов по
температурным условиям. Таким образом было выделено 5 типов:
- Р≤5% – аномально жаркий вегетационный сезон (выделены в таблице 10 красным
цветом);
- 5%<Р<25% – жаркий вегетационный сезон (выделены в таблице 10 оранжевым
цветом);
- 25%≤P≤75% – средний по температурным условиям вегетационный сезон
(выделены в таблице 10 зеленым цветом);
- 75%<P<95% – холодный вегетационный сезон (выделены в таблице 10 голубым
цветом);
- P≥95% – аномально холодный вегетационный сезон (выделены в таблице 10 синим
цветом).
Рисунок 13 – Кривая обеспеченности количества дней в течение вегетационного
периода с максимальной температурой, превышающей 25 °C.
Метеостанция г. Можайск, 1949–2012 гг.
На основании этой градации было выделено 3 года с аномально жаркими
вегетационными периодами: 2010, 1972 и 2002 гг. В эти годы в Московской области
наблюдались лесные и торфяные пожары, на территории вводились чрезвычайные ситуации.
32
Более подробно метеорологические условия вегетационного периода выделенных лет будут
рассмотрены ниже.
Для сравнения метеорологических условий г. Москвы и Московской области была
также построена кривая обеспеченности количества жарких дней и для метеостанции
г. Москва – ВВЦ, представленная на рисунке 14 (ранжированный ряд, взятый за основу для
построения кривой, представлен в таблице 11).
Таблица 11 – Ранжированный ряд по количеству наблюдавшихся жарких дней.
Метеостанция г. Москва – ВВЦ, период наблюдений 1949–2012 гг.
Кол–во
Кол–во
Кол–во
Кол–во
дней с
Год
дней с
Год
дней с
Год
дней с
Год
T>25°C
T>25°C
T>25°C
T>25°C
68
2010
31
1960
23
1957
16
1971
54
1972
31
1963
21
1955
16
1974
48
2011
31
1977
21
1975
16
1982
45
1999
30
1959
21
2008
16
2000
44
2002
30
1964
20
1970
15
1956
43
1981
30
1967
20
1983
14
1952
42
2007
29
1996
20
1985
13
1980
41
1988
29
2003
19
1969
13
1994
40
1995
28
1979
19
1984
12
1990
37
1968
27
1998
19
1991
11
1993
37
2001
27
2005
19
1997
10
1978
37
2012
27
2006
18
1951
8
1961
35
1992
26
2004
18
1958
6
1965
34
1989
25
1966
18
2009
5
1950
33
1986
25
1973
17
1949
5
1962
32
1954
23
1953
17
1987
5
1976
33
Рисунок 14 – Кривая обеспеченности количества дней в течение вегетационного
периода с максимальной температурой, превышающей 25 °C.
Метеостанция г. Москва – ВВЦ, 1949–2012 гг.
В результате к годам с аномально жарким вегетационным периодом по результатам
обобщения данных метеостанции г. Москвы были отнесены 2010, 1972 и 2011 гг., в то время
как 2002 год был отнесен по характеристике вегетационного периода к жарким. В целом
можно сделать вывод, что в Москве жаркие периоды наблюдались более длительное время,
чем в Московской области, что вызвано влиянием большей урбанизированности территории.
Из-за этого, а также в связи с расположением большинства исследуемых водохранилищ на
территории Московской области, в качестве основной метеостанции для анализа
гидрометеорологических условий принята метеостанция Можайск.
Метеорологические условия вегетационного периода в аномально жаркие годы
2010 год
Лето 2010 года по данным Гидрометцентра России [9] стало самым жарким в истории
Центральной России, и на территории Москвы и Московской области в частности. С 21 июня
по 18 августа среднесуточная температура воздуха по данным метеостанции Можайск
составляла больше 20 °C (что в графическом виде представлено на рисунке 15), скорость
ветра в этот период не поднималась выше 2 м/с. Средняя температура июля в этом году
составила 24,5 °C и превысила норму на 6,2 °C., а августа – 20,8 °C с превышением нормы
на 4,5 °C. Среднемесячная температура июня также была выше нормы на 2,1 °C и
составляла 18,3 °C.
34
Что касается режима осадков, лето 2010 года было аномальным и в этом отношении.
За период высоких температур выпало всего 59 мм осадков, причем только 1 день
характеризовался суточной суммой осадков, превышающей 5 мм. В целом же в 2010 году
наблюдалось 60 дней, соответствующих критериям атмосферной засухи (максимальная
температура выше +25 °C и осадки менее 5 мм в сутки), причем произошло несколько
непрерывных серий засухи, состоящих из 8, 10 и 39 дней подряд. 10 июля, когда выпало
27 мм осадков, максимальная температура воздуха также была высока и достигала 29,1 °C.
Именно в продолжительности и непрерывности жаркой и сухой погоды состоит
уникальность условий лета 2010 года.
Рисунок 15 – суточные суммы осадков, температура воздуха и скорость ветра в течение
вегетационного периода 2010 года по данным метеостанции г. Можайск
1972 год
В 1972 году сходные с 2010 годом причины также привели к установлению на
территории европейской части России неблагоприятных погодных условий с июня по
август. В течение всех летних месяцев температура воздуха превышала норму: в июне на
2,8 °C (среднемесячная температура июня составила +18,6 °C), в июле – на 4,2 °C (+21,4 °C),
в августе – на 3,4 °C (+19,1 °C).
35
Месячная сумма осадков в июне и июле была ненамного ниже нормы и составляла
73,8 и 70,2 мм соответственно. Август же, напротив, отличался количеством выпавших
осадков в 3 раза ниже нормы (25 мм). Скорости ветра в среднем так же были выше, чем в
2010 году (внутрисезонный ход скорости ветра графически представлен на рисунке 16).
Однако совокупность предшествующей малоснежной зимы, недостаточного количества
осадков и высоких температур в летний период стала причиной сильной засухи, также
сопровождавшейся торфяными и лесными пожарами и смогом.
Рисунок 16 – суточные суммы осадков, температура воздуха и скорость ветра в течение
вегетационного периода 1972 года по данным метеостанции г. Можайск
2002 год
В 2002 году в летний период также устанавливалась жаркая и засушливая погода, по
продолжительности, однако, уже не столь длительная. Средняя температура июня
составила +16,7 °C и была всего на 0,5 °C выше нормы. В июле среднемесячная температура
превышала норму уже на 3,3 °C и составляла +21,6 °C. В августе жаркая погода
продолжалась всего несколько дней, после чего температура воздуха стала уменьшаться,
составив в итоге в среднем за месяц 16,8 °C, что только на 0,5 °C превысило норму.
36
В целом период высоких температур, сопровождающихся низкими скоростями ветра,
можно четко выделить на рисунке 17 – он продолжался со 2 июля по 3 августа 2002 года.
Что касается режима осадков, то только в июне месячная сумма была близка к норме
(73 мм), в июле и в августе выпало всего около 30% от нормы (28,3 и 26,7 мм
соответственно). Недостаточное увлажнение в августе 2002 года можно считать одной из
причин возникновения торфяных и лесных пожаров в Московской области в первой декаде
сентября.
Рисунок 17 – суточные суммы осадков, температура воздуха и скорость ветра в течение
вегетационного периода 2002 года по данным метеостанции г. Можайск
В целом по результатам анализа метеорологических условий территории, где
расположены водохранилища Москворецкого и Волжского источника водоснабжения
г. Москвы, можно сделать вывод, что аномально жаркие ситуации в летний периоды
возникают в случае прохождения на территории Европейской части России блокирующего
антициклона. Сопровождаются такие ситуации малым количеством осадков в основном
внутримассового происхождения, а также низкими скоростями ветра. Метеорологические
параметры трех лет с аномально жаркими условиями вегетационного периода – 2002, 2010 и
1972 – следует взять за основу для изучения воздействия на гидрохимические и
37
гидробиологические характеристики водохранилищ, так как все они представляют собой
реально произошедшие эстремальные природные ситуации, повлекшие за собой урон как
природным, так и техногенным системам.
1.1.2 Морфологические особенности водохранилищ
Морфологическое строение ложа водохранилищ оказывает существенное влияние на
внутриводоемные процессы, определяя особенности внутреннего водообмена и связанного с
ним круговорота биогенных веществ.
Все водохранилища системы водоснабжения г. Москвы – равнинные водоемы
долинного класса с хорошо выраженными, свойственными таким водоемам особенностями
формы ложа. В таблице 12 представлены для сравнения значения основных применяющихся
в современной лимнологии параметров и показателей, из которых видно, что по своим
размерам
москворецкие
водохранилища
по
классификации
А.Б. Авакяна
и
В.А. Шарапова [10] относятся к водоемам среднего размера незначительной глубины.
Из водохранилищ водораздельного бьефа КИМ к этому классу можно отнести только
Учинское водохранилище, остальные водоемы – небольшие мелководные (Икшинское,
Пестовское и Пяловское) или незначительной глубины (Клязьминское, Химкинское)
водохранилища. В геодинамическом отношении все водохранилища уже достаточно
стабильны, их возраст составляет от 47 до 76 лет.
Географический облик и морфометрические параметры водохранилищ определяются
морфологией затопленного участка речной долины и высотой плотины замыкающего
гидроузла. Все водохранилища, за исключением Учинского, сильно вытянутые и извилистые
водоемы, наиболее глубоководные в своих приплотинных районах. Учинское
водохранилище, большая часть которого расположена в узле слияния рек Вязь и Уча и
ограничена тремя плотинами – Акуловской, Пестовской и Пяловской, имеет озеровидную
форму. Наибольшие глубины в водохранилищах находятся в узких меандрирующих от
одного берега к другому русловых ложбинах затопленных рек.
По морфологической классификации К.К. Эдельштейна [11] Истринское и
Озернинское водохранилища относятся к сложным пойменно-долинным водохранилищам,
отличающимся наличием больших крупных заливов в приустьевых участках долин своих
притоков, остальные водоемы – простые пойменно-долинные водоемы. Степень
выраженности этих особенностей формы водоемов долинного класса наиболее ярко
отражают значения коэффициентов разветвленности и расчлененности акватории
(таблица 12): во-первых – площадь заливов 6-7%, во-вторых – она достигает четверти
акватории. В морфологически сложных водохранилищах существенно больше извилистость
береговой линии за счет разветвленности акватории, а также, что особенно важно,
пространственная неоднородность состава воды. Речные водные массы, заполняющие
крупные заливы, медленнее выдвигаются в центральные районы, где при их смешении
формируется более однородная по физическим, химическими и биологическим
характеристиками основная водная масс водохранилищ. В 1,5-2 раза меньше и коэффициент
их удлиненности, благодаря чему в них менее часто возникают крупные продольные
ветровые сгоны-нагоны и приплотинные апвеллинги (очаги вспышек цветения), чем в
Можайском и Рузском водохранилищах. 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
38
Таблица 12 – Морфометрические характеристики водохранилищ при нормальном подпорном уровне (НПУ) (по [12, 13, 14, 15])
Параметры и показатели
формы ложа
Водохранилища
Москворецкие
Можайское
Рузское
183,0
30,7
235
22,6
7,7
0,34
28,0
119
182,5
32,7
220
21,2
6,7
0,34
32,8
128
182,5
23,1
144
20,5
6,2
0,30
19,2
65
170,0
33,6
183
23,0
5,4
0,23
22,2
178
162,1
4,86
15,0
8
2,9
0,37
5,6
19,5
162,1
11,60
54,3
14
4,7
0,33
6,1
36,5
Ширина максимальная, В км
2,6
3,2
2,5
4,4
1,4
2
1
1
0,7
3
Ширина средняя, b = S/L
Коэффициент разветвленности,
 = Li/L
Коэффициент расчлененности
акватории,  = Si/S %
1,1
1,0
1,2
1,5
0,9
1,9
1,1
1,0
0,5
1,6
1,13
1,20
1,45
2,10
6
7
25
25
Коэффициент удлиненности,  = L/b
25,5
32,9
16,0
14,4
6,1
3,2
5,7
15,8
13,2
7,5
Коэффициент глубоководности,  = h/b
Коэффициент удельной длины берега,
 = Lб/S км/км2
7,0
6,7
5,2
3,6
3,2
2,5
2,7
5,3
16,4
4,7
3,9
3,9
2,8
5,3
3,8
3,1
4,3
3,5
6,7
1,9
НПУ, м. абс.
Площадь, S км2
Объем, V млн м3
Глубина максимальная, H м
Глубина средняя, h = V/S м
Коэффициент емкости,
kV = h/H
Длина водохранилища, L км
Длина береговой линии, Lб км
Озернинское Истринское Икшинское Пестовское
Верхнего бьефа КИМ
Клязьминск
Пяловское
Химкинское Учинское
ое
162,1
162,1
162,1
162,0
6,30
15,16
3,48
19,34
18,0
87,0
29,5
146,1
12,2
14
17,1
19,0
2,9
5,4
8,4
7,6
0,23
0,38
0,49
0,35
6
16
6,8
7,0
27
56,5
23,5
37,5
Примечание – l – длина прямой линии, соединяющей концы продольной оси водохранилища, Li и Si –длина и площадь залива.
39
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 стабилизировать 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.
Большое значение коэффициента глубоководности при низкой проточности
москворецких водохранилищ свидетельствует об ослабленной гидродинамической
активности центральных и приплотинных районов, особенно в Можайском и Рузском
водохранилищах. С этим связана стратификация водной толщи по всех параметрам состава
воды, значительно большая толщина трофолитического слоя по сравнению с трофогенным,
большая пятнистость распределения биогенных и органических растворенных веществ,
численности и биомассы фито– и зоопланктона весной и летом в антициклоническую
погоду. Все это крайне затрудняет мониторинг и достоверную оценку трофического
состояния водной экосистемы. Стратифицированность москворецких водохранилищ
усугубляется узостью и сильной извилистостью русловой ложбины (ее коэффициент
извилистости на 50–80% больше, чем самого водоема), что ослабляет ветровое
перемешивание в придонном слое, способствует распространению плотностных течений,
формированию очагов дефицита растворенного кислорода и сероводородных зон. Наиболее
велика извилистость в Истринском водохранилище, где она в 1,5 раза больше, чем в
Можайском.
Глубоководность приплотинных районов и их летняя и зимняя стратификация служат
предпосылкой использования явления селективного сброса воды через разноуровенные
водозаборные отверстия в целях управления составом воды в нижних бьефах москворецких
водохранилищ, методические основы которого апробированы специальными наблюдениями
в верхнем и нижнем бьефах Истринского гидроузла весной и летом 1992 г. [16].
Размеры москворецких водохранилищ по мере сработки быстро сокращаются
преимущественно в верхних районах и в заливах расположенных ниже (ближе к гидроузлу)
районов. Величина сработки этих водохранилищ может превышать 7 м, в то время как
водохранилищ ВВБ – не более 2 м.
1.1.3 Антропогенное воздействие
Антропогенное воздействие на водохранилища по своей природе разделяется на два
вида:
- воздействие человека на водосбор и речные притоки водоема;
- воздействие человека на водоем для управления его гидрологическим режимом в
целях хозяйственной деятельности.
40
Как известно, сток загрязняющих веществ и биогенных элементов с водосбора,
определяющий химическую нагрузку водоема, зависит не только от ландшафтных
особенностей водосбора, но и от степени антропогенной его освоенности. Водосборы всех
водохранилищ Москворецкой водохозяйственной системы расположены в верхней части
гидрографической сети в относительно чистых с экологической точки зрения районах
Московской области. Но близость к Москве определяет исторически сложившуюся высокую
плотность населения в регионе и, соответственно, интенсивное хозяйственное использование
его территории.
В 80-е годы наблюдался интенсивный рост городов, поселков, промышленных и
сельскохозяйственных объектов на территории верхней части р. Москвы и р. Волги, в
результате чего оказались перегружены очистные сооружения, увеличился сброс в водоемы
сточных вод. На обоих водосборах в результате интенсивного использования минеральных и
органических удобрений содержание биогенных элементов в водной среде с 1950 по 1990 гг.
увеличилось в 5 раз [17]. В 90-е годы с переходом российской экономики на рыночные
отношения произошел резкий спад в сельскохозяйственном и промышленном производстве.
Многие предприятия работали не на полную мощность или вообще прекратили свое
существование. В период с 1990 по 2005 гг. применение минеральных удобрений на
сельскохозяйственных территориях Волжского и Москворецкого бассейнов сократилось в 23
и 18 раз, органических – в 4 раза, посевные площади сократились, соответственно, в 4 и
2,5 раза. В результате поступление азота и фосфора с промышленными сточными водами в
водные объекты водосборов сократилось в 2–3 раза, однако, в это же время существенно
ухудшилась работа очистных сооружений и контроль сточных вод, участились залповые
аварийные сбросы. Несмотря на сокращение антропогенной нагрузки в бассейнах обоих
источников водоснабжения, заметного улучшения качества воды по биогенным показателям
не наблюдается [17]. В последнее время новым и опасным источником поступления
биогенных элементов стало развитие садово–огородных товариществ и коттеджная
застройка непосредственно по берегам водных объектов. К антропогенным факторам,
влияющим на химическую нагрузку на водоемы, относится их рекреационное
использование, интенсивность которого в связи с увеличением мобильности населения
Московского мегаполиса увеличилась многократно. Таким образом, характер
антропогенного воздействия на водосборы Москворецких и Волжских источников
водоснабжения и тенденции его изменения во времени в общем одинаковы для обеих
водохозяйственных систем. В то же время для каждого водохранилища степень этого
воздействия различна. Например, в Можайском районе в 90–х годах в водные объекты
сбрасывалось около 25 тыс. м3/сут бытовых и 18 тыс. м3/сут промышленных сточных вод,
в Рузском районе – 19,5 тыс. и 10,5 тыс., соответственно, плюс 70 м3/сут стоков поступало от
сельскохозяйственных объектов. Истринский район, наиболее близко расположенный
к г. Москве, испытывает наибольшую антропогенную нагрузку: в р. Истру сбрасывается
97,9 тыс. м3/сут сточных вод, из которых 57 тыс. бытовых, 33,5 тыс. промышленных и
7,4 тыс. сельскохозяйственных [18].
Главным различием Москворецкой и Волжской систем водоснабжения связаны с
режимом антропогенного регулирования стока. Москворецкие водохранилища расположены
в верхних звеньях системы водоснабжения и осуществляют многолетнее регулирование
стока. Водохранилища водораздельного бьефа Волжской системы более, чем на 90%
41
заполняются перекачкой воды из Иваньковского водохранилища и не регулируют сток.
В результате этих различий имеет место:
- сильное различие в межгодовых и внутригодовых колебаниях уровня воды
водохранилищ;
- различие ежегодного наполнения полезного объема водохранилищ. В москворецких
водохранилищах он наполняется водами питающих их незарегулированных рек,
характеризующихся природной неравномерностью режима стока. Водохранилища канала
им. Москвы (КИМ) имеют сопряженный бьеф, и колебания притока в них
трансформированной в Иваньковском водохранилище волжской воды практически
отсутствуют;
- для москворецких водохранилищ важное значение имеет селективность сброса воды
из водохранилища гидроузлом. В водохранилищах волжского водоисточника это явление у
водозаборных сооружений Мосводопровода не наблюдается.
Все это приводит к значительным различиям гидрологического режима
водохранилищ этих систем, которые будут рассмотрены ниже.
Выводы раздела
- С начала 70–х годов в Московском регионе наблюдается период потепления климата
с устойчивым ростом среднемноголетней температуры воздуха со средней скоростью
0,21 °C/10 лет. В 2001–2012 годах наблюдался интенсивный рост среднемесячной
температуры воздуха в июле–сентябре и увеличение длительности вегетационного периода.
Общее потепление сопровождается увеличением годовых величин облачности, количества
осадков, влажности воздуха и снижением скорости ветра. Тем не менее, четко выраженная
тенденция к увеличению или уменьшению ФАР и прямой солнечной радиации отсутствует.
- За критерий «жаркости» вегетационного периода принято количество дней заданной
обеспеченности с максимальной температурой воздуха, превышающей 25°C. На основе этого
критерия и 64-летнего ряда наблюдений за температурой воздуха в Подмосковье было
выделено 5 типов вегетационных сезонов по температурным условиям:
а) аномально жаркий вегетационный сезон с 5% обеспеченностью количества
дней с максимальной температурой воздуха более 25 °C (≥45 дней для Московского
региона);
б) жаркий вегетационный сезон с обеспеченностью количества жарких дней
от 5% до 25% (от 30 до 44 дней);
в) средний по температурным условиям вегетационный сезон с
обеспеченностью количества жарких дней от 25% до 75% (от 13 до 29 дней);
г) холодный вегетационный сезон с обеспеченностью количества жарких дней
от 75% до 95% (от 5 до 12 дней);
д) аномально холодный вегетационный сезон с обеспеченностью количества
жарких дней 95% (< 5 дней).
- На основе принятого критерия из имеющегося ряда наблюдений были выбраны
3 года с аномально жаркими условиями вегетационного периода – 2002, 2010 и 1972 гг.,
данные которых следует взять за основу для изучения влияния жарких периодов на
гидрохимические и гидробиологические характеристики систем водоснабжения г. Москвы.
42
- Аномально жаркие ситуации в летний периоды возникают в Московском регионе в
случае прохождения на территории Европейской части России блокирующего антициклона.
Сопровождаются такие ситуации малым количеством осадков в основном внутримассового
происхождения, а также низкими скоростями ветра.
- Все водохранилища системы водоснабжения г. Москвы – равнинные водоемы
долинного класса с хорошо выраженными, свойственными таким водоемам особенностями
формы ложа. В геодинамическом отношении все они уже достаточно стабильны, их возраст
составляет от 47 до 76 лет.
- Главным различием Москворецкой и Волжской систем водоснабжения связаны с
режимом антропогенного регулирования стока. Москворецкие водохранилища расположены
в верхних звеньях системы водоснабжения и осуществляют многолетнее регулирование
стока. Водохранилища водораздельного бьефа Волжской системы более чем на 90%
заполняются перекачкой воды из Иваньковского водохранилища и не регулируют сток.
43
1.2 Гидрологические особенности водохранилищ
1.2.1 Общие
закономерности
гидрологического
режима
систем
водоснабжения г. Москвы
Из всех абиотических факторов развития фитопланктона одними из основных
выступают гидрологические факторы. Гидрологический режим любого водохранилища
определяется в первую очередь режимом притока в него воды и режимом сброса-забора
воды из него. От соотношения составляющих внешнего водообмена, т.е. от структуры
водного баланса, зависит интенсивность и направленность процессов круговорота вещества
и энергии в водоеме, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на уровень
продукционных процессов в его экосистеме.
Все водохранилища Москворецкой водной системы расположены в верхней части
бассейна р. Москвы и выполняют многолетнее глубокое внутригодовое регулирование стока
р. Москвы и ее притоков – Истры и Рузы с Озерной (рисунок 18). Поэтому им присущи
большие и нерегулярные колебания уровня воды и проточности. Эти колебания обусловлены
внутригодовой и межгодовой изменчивостью притока воды с их водосборов и режимом
сбросов воды с целью обеспечения стабильной работы водопроводных станций, а также в
многоводные половодья – промывок русла Москва-реки в черте города от илистых
отложений. На гидрологический режим Рузского водохранилища дополнительное влияние
оказывает переброска воды с водосбора р. Вазузы через Яузское и Верхне-Рузское
водохранилища, а на режим Можайского водохранилища – поступление вод самого крупного
притока – р. Колочь – в виде периодической перекачки воды насосами по железобетонному
лотку через Колочский гидроузел в нижний район водохранилища.
Рисунок 18 – Водохранилища Москворецкой и Вазузской гидротехнических систем
В отличие от гидрологического режима москворецких водохранилищ, зависящего от
физико-географических свойств водосбора, морфологических особенностей водоема и
воздействия на него гидротехнических мероприятий, режим водохранилищ водораздельного
бьефа КИМ практически полностью определяется перекачкой по каналу волжской воды из
Иваньковского водохранилища. А она зависит от потребностей и интенсивности
потребления воды на нужды водоснабжения г. Москвы, судоходства и обводнение рек.
44
Главная гидродинамическая особенность водохранилищ водораздельного бьефа
заключается в том, что почти во всех них, за исключением небольшого транзитного
Икшинского, основной поток вод пересекает долины рек, послуживших ложем этих
водохранилищ (рисунок 19). Кроме того, в Пяловском и Пестовском водохранилищах
имеются относительно обособленные заливы (Аксаковский и Тишковской).
Рисунок 19 – Водохранилища Волжской системы водоснабжения [19]
То есть, каждое из этих водохранилищ имеет свои отличительные черты,
определяющие гидродинамические особенности перемещения вод в них:
- в Икшинском и Пестовском водохранилищах в верхней части долины приток
обеспечивается перекачкой воды из канала им. Москвы;
- в Пестовском водохранилище поток перекачки раздваивается на питание канала и
питание Учинского водохранилища;
- в Пяловском водохранилище основной приток (канал) пересекает долину примерно
в центральной ее части, при этом даже небольшой санитарный сброс воды через плотину
отсутствует, а верхней части долины водохранилище дополнительно питается водами
небольшого притока – р. Учи;
- Учинское водохранилище образовано затоплением двух смежных речных
долин, причем Учинская долина заблокирована глухой плотиной, а приток воды в
водохранилище поступает из Пестовского водохранилища через водосброс в долине р. Вязь;
- в Учинском водохранилище забор воды производят как в центральном плесе, так и в
приплотинном плесе Акуловского гидроузла, причем примерно в одинаковых количествах;
- Клязьминское водохранилище, также как и Пяловское, пересекается основным
потоком канала в центральной части, при этом длинный приплотинный участок
45
водохранилища (называемый нередко Пироговским водохранилищем) обеспечивает
водозабор СВС и санитарный сброс воды через плотину в р. Клязьма;
- Химкинское водохранилище, замыкающее водораздельный бьеф, основной отток
воды из которого происходит через Сходненскую ГЭС в бассейн р. Москвы, отток воды
через шлюз №7 в р. Москву и забор воды из водохранилища для обводнения р. Яузы.
Эти гидролого-морфометрические особенности водохранилищ водораздельного бьефа
существенно усложняют гидродинамику вод, об особенностях которой в этих
водохранилищах сведения практически отсутствуют.
В связи с принципиальными различиями в условиях питания и сработки
водохранилищ Москворецкой и Волжской систем водоснабжения представляется
целесообразным рассматривать особенности их гидрологического режима по отдельности.
1.2.2 Москворецкие водохранилища
Режим расходов рек москворецкого бассейна, обеспечивающий наполнение
водохранилищ, определяется в целом четко выраженным весенним половодьем, низкой
летней меженью, прерываемой дождевыми паводками, и продолжительной зимней меженью.
В меженный период сток с неконтролируемой водохранилищами площади водосбора, как
правило, низкий, и определяющую роль в поддержании у водозаборов Западной и
Рублевской водопроводных станций требуемых расходов воды 49–51 м3/с в этот период
играют попуски из водохранилищ.
В структуре водного баланса водохранилищ главенствующую роль играют приток
воды с водосбора и сброс ее в нижний бьеф гидроузла, которые составляют в среднем за
многолетний период около 94% соответственно приходной и расходной части баланса. Доля
в нем атмосферных осадков на акваторию и испарения с нее воды не превышает 5% [15].
Поэтому межгодовая и внутригодовая изменчивость важнейших характеристик водного
режима – уровня воды, проточности, составляющих баланса химических и взвешенных
веществ определяются режимом притока в водохранилища речных вод и регулированием
стока воды через поверхностный водосброс и придонные водоводы ГЭС гидроузлов.
Поэтому на первом этапе рассмотрения гидрологического режима москворецких
водохранилищ необходимо исследовать в многолетнем плане режим притока и стока воды из
водохранилищ.
Внешний водообмен и колебания уровня воды. Для проведения такого исследования
лучше всего использовать данные наблюдений на Можайском водохранилище с 1960
по 2012 годы. До конца 80-х годов гидрометрический учет ежесуточного притока в
Можайское водохранилище осуществлялся с территории, площадь которой составляла
91% поверхности его водосбора, но вследствие прекращения наблюдений на гидростворе
Лусянка–Черники и снижения надежности данных на гидростворе Москва–Барсуки
последние 25 лет представлены данными Объединенного управления Можайского
гидроузла. Имеющийся в них суточный приток рассчитан как разность между объемом
суточного сброса воды из водоема и изменением ее запаса в нем за сутки (неправдоподобные
значения притока, иногда получаемые этим методом упрощенного водного баланса,
откорректированы нами путем линейной интерполяции между надежными значениям).
Тем не менее, этот стоковый ряд притока в Можайское водохранилище самый
надежный, поскольку на водосборах других москворецких водохранилищ доля
гидрометрически учтенной территории намного меньше и составляет для Истринского 37%,
46
для Озернинского 51% и Рузского 30%. Можайское водохранилище обладает наибольшей
территорией водосбора. Но она всего на 350 км2 больше территории водосбора
Озернинского, которая среди москворецких водохранилищ наименьшая. Таким образом,
размеры водосборов всех 4 водохранилищ – одного порядка, а значения удельного
водосбора, определяемые по формуле (3):
 = А:S
(3)
(здесь А – площадь территории водосбора, S – площадь акватории водоема), от
которого зависит структура водного баланса расположенных в одном климатическом районе
водохранилищ, различаются не более, чем на 20%. Очень сходны величины и других
представленных в таблице 13 гидрологических характеристик водосборных территорий и
самих водоемов. Поэтому используемые многолетние ряды по Можайскому водохранилищу
наиболее репрезентативны для изучения режима водного притока с водосборов и в
остальные водохранилища Москворецкой системы.
Таблица 13 – Гидрографические характеристики водосборов и среднемноголетние
значения (с года создания до 2000 г.) составляющих водного баланса и водообмена
москворецких водохранилищ
Водохранилище
Характеристика
Можайское
Рузское
Озернин–
Истрин–
ское
ское
территории водосбора
Площадь, км2
Модуль стока, л/скм2
Коэффициент стока
водоема
Приток, млн м3/год
Сброс, млн м3/год
Осадки, млн м3/год
Испарение, млн м3/год
Коэффициент водообмена
1329
7,4
0,39
1117
7,0
0,35
738
7,0
0,35
976
6,9
0,35
318
311
13,0
13,4
1,3
217
214
14,7
15,8
1,5
146
124
10,2
11,6
1,3
211
211
17,2
16,1
1,5
Полувековой период существования Москворецких водохранилищ характеризуется
заметным изменением климата Русской равнины, произошедшим вследствие увеличения
притока теплых и влажных атлантических воздушных масс [20]. Особенности этих
изменений, подробно рассмотренные в разделе 1.1.1 данного отчета, свидетельствуют об
уменьшении континентальности климата в Московском регионе.
Эти климатические изменения проявляются косвенно в изменении питания
водохранилища речными водными массами и непосредственно через поглощение им
солнечной и ветровой энергии в безледный период. Управление водным режимом
водохранилища определяет момент смены зимней сработки весенним наполнением, т. е. дату
начала нового водохозяйственного года, которая назначается на основании гидрологического
прогноза предстоящего половодья. В этот момент кардинально изменяется структура
внешнего и внутреннего водообмена водохранилища и связанные с ним процессы. Поэтому
47
анализ
межгодовой
изменчивости
характеристик
экологического
состояния
предпочтительнее выполнять по их значениям, осредненным за водохозяйственные годы  от
даты начала весеннего наполнения до даты с наинизшим уровнем воды в водоеме в конце
зимы следующего календарного года. Диапазон вариации дат начала водохозяйственных лет
для Можайского водохранилища составил 65 сут  от 5 февраля в 2002 г. до 10 апреля
в 2012 г. В последние десятилетия отмечается тенденция ее смещения на более ранние сроки
из-за все более раннего начала половодья.
В таблице 14 приведены основные показатели водного режима Можайского
водохранилища за 52 года его существования. К ним мы отнесли следующие
характеристики:
- суммарный приток VI за водохозяйственный год;
- его модульный коэффициент, рассчитываемый по формуле (4):
KV = VI/VM
(4)
VM – средняя величина годового притока за рассматриваемый многолетний период;
- суммарный объем притока в половодье VП (включая и дождевые паводки,
накладывающиеся на талый сток) и его долю в % от годового притока;
- суммарный объем притока в паводки VПав и его долю в % от годового притока;
- годовая величина сброса воды VO в нижний бьеф;
- коэффициент регулирования стока, рассчитываемый по формуле (5) (в %):
КVo = (VO – VI)/ VI в %
(5)
- величина наполнения водохранилища, рассчитываемая по формуле (6):
∆H = Hmax – Hmin
(6)
где Hmin – наинизший уровень накануне дня начала водохозяйственного года, Hmax –
наивысший уровень в этот год;
- величина наполнения водохранилища относительно НПУ, рассчитываемая
по формуле (7):
δН = Hmax – НПУ
(7)
- коэффициент водообмена, рассчитываемый по формуле (8):
Кв = (VI + VO)/(2Vср)
(8)
где Vср – средний за балансовый год объем воды в водохранилище.
За начало каждого водохозяйственного года принята дата первого дня подъема уровня
воды в водохранилище в начале фазы его ежегодного наполнения, которая обычно совпадает
с началом половодья на его притоках.
48
Таблица 14 – Многолетние колебания показателей водного режима Можайского
водохранилища
Приток
Дата
Годы начала Годовой
Половодье
года млн м3 KV млн м3 %
1
2
3
4
5
6
1961
01.мар 269 0,84 195
73
1962
30.мар 498 1,56 219
44
1963
07.апр 235 0,74 173
74
1964
19.мар 169 0,53 129
76
1965
06.апр 187 0,59
80
43
1966
01.мар 331 1,04 281
85
1967
22.мар 215 0,68 168
78
1968
18.мар 255 0,80 215
84
1969
30.мар 215 0,67 137
64
1970
29.мар 364 1,14 300
82
1971
23.мар 296 0,93 127
43
1972
13.мар 220 0,69 146
66
1973
24.мар 262 0,82 136
52
1974
22.мар 256 0,80 167
65
1975
06.мар 179 0,56 125
70
1976
18.мар 296 0,93 196
66
1977
28.фев 328 1,03 184
56
1978
12.мар 369 1,16 193
52
1979
19.мар 301 0,94 190
63
1980
22.мар 455 1,43 186
41
1981
22.мар 413 1,30 201
49
1982
13.мар 400 1,26 230
58
1983
14.мар 317 1,00 170
53
1984
23.мар 241 0,76 115
48
1985
27.мар 349 1,10 186
53
1986
15.мар 398 1,25 262
66
1987
04.апр 285 0,90 173
60
1988
24.мар 319 1,00 223
70
1989
10.фев 270 0,85 172
64
1990
11.фев 553 1,74 212
38
1991
23.мар 362 1,14 158
44
1992
08.апр 235 0,74 118
50
1993
17.мар 228 0,72 108
48
1994
05.апр 319 1,00 200
63
1995
23.фев 275 0,86 150
54
1996
06.апр 193 0,61
65
34
1997
05.мар 312 0,98 119
38
1998
26.фев 621 1,95 199
32
1999
31.мар 313 0,98 203
65
2000
04.апр 351 1,13 158
44
2001
15.мар 334 1,05 212
63
2002
05.фев 235 0,74 144
48
2003
01.апр 387 1,22 129
33
2004
18.мар 474 1,49 169
36
Сброс годовой
Паводки
млн м3 % млн м3 КVo, %
7
8
9
10
36
13 257
–4
248
50 508
2
33
14 288
23
13
7
181
7
77
41 155
–17
6
2
354
7
19
9
222
3
10
4
257
1
42
20 205
–5
28
8
333
–9
137
46 240
–19
44
20 277
26
76
29 183
–30
51
20 238
–7
7
4
212
18
59
20 242
–18
90
27 351
7
134
36 364
–1
87
29 287
–5
210
46 440
–3
151
37 432
5
132
33 386
–4
96
30 347
9
84
35 259
7
112
32 320
–8
100
25 262
–34
40
14 250
–12
15
5
261
–18
42
16 329
22
285
52 527
–5
170
47 400
10
54
23 238
1
28
12 266
17
62
19 308
–3
70
25 284
3
72
37 123
–36
159
51 298
–4
370
60 609
–2
51
16 388
24
111
31 286
–19
60
18 356
7
13
5
270
15
213
55 290
–25
249
53 490
3
49
Наполнение
∆H δН
м
м
11
12
5,0 –0,1
4,6
0,7
4,9 –0,3
6,0 –1,0
3,8 –1,7
5,8
0,0
5,9 –0,2
6,5
0,0
5,8 –1,2
6,4
0,0
4,9 –0,8
3,8
0,0
5,0 –1,4
4,6
0,0
3,4 –0,3
5,4
0,0
3,3
0,0
4,4 –0,1
3,8 –0,2
3,3
0,0
2,7 –0,1
3,1
0,0
2,9
0,0
4,3 –0,6
6,5
0,0
4,8 –0,4
6,2 –0,2
5,3
0,1
3,8 –0,1
4,2 –0,1
2,7 –0,4
3,3 –1,3
3,4 –1,6
7,2 –0,4
6,9 –0,2
3,7 –2,4
3,1 –0,4
3,1 –0,1
2,7 –0,9
6,6
–1,1
3,4
–0,3
4,4
–1,0
7,2
–0,7
2,9
–0,2
Кв
13
1,4
4,2
1,8
1,3
1,2
2,3
1,5
1,7
1,6
2,3
1,6
1,6
1,5
1,4
1,3
1,4
1,8
1,8
1,7
2,3
2,2
2,2
1,9
1,5
1,8
2,1
1,6
1,5
1,7
2,7
2,3
1,7
1,9
2,2
2,1
1,2
1,7
3,2
2,6
2,2
2,2
2,2
2,0
2,4
Продолжение таблицы 14
1
2
3
4
2005
08.апр 293 0,92
2006
04.апр 340 1,07
2007
10.мар 203 0,64
2008
28.фев 428 1,34
2009
31.мар 531 1,67
2010
24.мар 295 0,93
2011
05.апр 246 0,77
2012
10.апр 336 1,06
1961–
2012 18.мар 318
1961–
1987 19.мар 300
1988–
2012 18.мар 338
5
155
117
76
160
110
177
135
151
6
53
34
37
37
21
60
55
45
7
61
177
53
209
381
60
56
158
8
21
52
26
49
72
20
23
47
9
369
239
277
446
439
313
211
311
10
26
–30
36
4
–17
6
–14
–7
11
2,4
6,1
4,0
3,1
7,6
3,0
4,6
3,2
12
–0,2
–0,8
–0,3
–3,1
–0,5
–0,4
–0,3
–0,3
13
2,2
1,8
1,5
4,6
3,4
1,8
1,3
1,8
167
52
102
29
311
–1
4,5
–0,5 2,0
181
62
79
24
291
–2
4,7
–0,3 1,8
153
47
127
33
333
0
4,3
–0,7 2,2
Примечание – водность периода:
 аномально маловодный;
 маловодный;
 средний;
 многоводный;
 аномально многоводный
За 52-летний период существования Можайского водохранилища средний объем
притока воды с водосбора за водохозяйственный год был равен 318 млн м3, из которого 52%
поступает в этот водоем в период весеннего половодья и 29% во время летне-осенних
паводков. Причем, если в 60-х годах доля притока в половодье составляла 70%, то в
последнее десятилетие всего 42%. При этом заметно возросла доля притока воды во время
паводков – с 17 до 40%. Соответственно в формировании водных масс водохранилища
уменьшается вклад талых вод половодья и увеличивается вклад летних, осенних и зимних
паводков с соответствующими им характеристиками состава воды. На рисунке 20 и
рисунке 21 представлен тренд изменения доли половодья и доли паводков в годовом
притоке воды в водохранилище за рассматриваемый период времени.
Рисунок 20 – Изменения доли притока воды в половодье от общего притока воды за
водохозяйственный год
50
Рисунок 21 – Изменения доли притока воды в паводки от общего притока воды за
водохозяйственный год
Для оценки водности лет за рассматриваемый период времени были построены
эмпирические кривые обеспеченности притока воды за водохозяйственный год (рисунок 22),
за половодье (рисунок 23) и за паводки (рисунок 24). Аналогично с градацией вегетационных
сезонов по температурным условиям, было выделено 5 типов водности рассматриваемых фаз
притока:
- Р≤5%  аномально многоводный приток (выделены в таблице 14 синим цветом);
- 5%<Р<25%  многоводный приток (выделены голубым цветом);
- 25%≤P≤75%  средний по водности приток (выделены зеленым цветом);
- 75%<P<95%  маловодный приток (выделены оранжевым цветом);
- P≥95%  аномально маловодный приток (выделены красным цветом).
51
Рисунок 22 – Кривая обеспеченности притока воды в Можайское водохранилище,
1961–2012 гг.
Рисунок 23 – Кривая обеспеченности притока воды в Можайское водохранилище
в половодье, 1961–2012 гг.
52
Рисунок 24 – Кривая обеспеченности притока воды в Можайское водохранилище
в паводки, 1961–2012 гг.
Аномально высокий приток наблюдался в 1990, 1998 и 2009 году. По абсолютной
величине приток воды в эти годы в 1,7–2,0 раза превышал среднее многолетнее значение.
Доля половодного стока в эти годы была очень низкой (21–38%), а сток паводков аномально
высоким – от 52 до 72% годового притока. Таким образом, аномальная водность этих лет
определялась притоком воды не в половодье, а в летне–осенние паводки. Аномально низкий
приток в водохранилище наблюдался в 1964, 1965 и 1975 годах. В двух из них (1964 и
1975 гг.) доля половодного стока была очень высокой – 76% и 70%, соответственно.
Наибольшей – 84–85% годовой величины притока в водохранилище – она была в
средневодные, но почти беспаводочные 1966 г. (обеспеченность Р = 28%) и 1968 г. (Р = 70%).
Доля притока воды в паводки в эти годы составляла всего 2–4%. Из таблицы 14 видно, что
все три экстремально многоводных водохозяйственных года (1990/91, 1998/99 и 2009/10 гг.),
больше трети средневодных и даже один маловодный год (1996 г.) своей водностью обязаны
не весеннему половодью, а паводкам (доля паводков, превышающая долю половодья
помечена в таблице желтым цветом). Поэтому и связь годового притока и притока за
половодье невысока (коэффициент корреляции r = 0,44), тогда как с притоком за время
паводков она существенно выше (r = 0,87) и в последние годы становится все более
значимой. Если разделить весь ряд наблюдений на два почти равновеликих периода – до
начала устойчивого потепления климата (до 1988 г.) и после, то коэффициент корреляции
годового притока с притоком воды в половодье для них будет, соответственно, 0,65 и 0,44,
а с притоком воды во время паводков – 0,79 и 0,91, что говорит о возрастании роли
паводкого стока в последние годы в притоке воды в водохранилища Москворецкой системы
водоснабжения.
53
Такая перестройка структуры притока речных водных масс в водохранилище в период
потепления климата за счет увеличения доли более случайного, чем половодья, паводочного
стока проявилась в повышении значения коэффициента вариации (Сv) годовых величин
стока в этот период с 0,28 до 0,32 и участившемся недозаполнении водохранилища до НПУ
(среднее значение величины наполнения водоема δН снизилась с –0,3 до –0,7 м).
Эта гидроклиматическая особенность последнего двадцатилетия, 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. Этот вывод наглядно демонстрирует рисунок 25, на котором
представлены колебания уровня воды в Можайском водохранилище с момента его
образования.
В маловодные годы в питании водохранилища обычно возрастает доля талых вод
половодья, в многоводные – растет вклад летних (1962, 1980 гг.), предзимних (1981 г.) и
зимних (1981, 1983 гг.) паводков. Эта тенденция подтверждается и несколько меньшей
изменчивостью объема стока в половодье по сравнению с годовым стоком и стоком в другие
фазы водного режима притоков водохранилища [21]: в половодье коэффициент Сv = 0,27,
в летнюю межень Сv = 0,38, в летние паводки Сv = 1,43, в предзимние паводки Сv = 1,07,
в зимние паводки Сv = 0,94, в зимнюю межень Сv = 0,49 при годовой изменчивости
стока Сv = 0,33. Приведенные данные свидетельствуют о крайне изменчивом от года к году и
от сезона к сезону характере питания Можайского водохранилища речными водами.
Изменчивость годовых значений сброса воды из Можайского водохранилища
(Сv = 0,31) соответствует изменчивости годовых значений притока воды. Поскольку
водохранилище выполняем многолетнее регулирование стока, коэффициент корреляции
между притоком и стоком равен 0,89.
54
Рисунок 25 – Колебания уровня воды в Можайском водохранилище,
1961–2012 гг.
Анализ таблицы 14 также показывает, что 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. Это особенно
хорошо видно по колебаниям значений коэффициента межгодового регулирования стока
водохранилищем, рассчитываемого по формуле (9):
КVo = (VO – VI)/ VI
(9)
показывающего на сколько процентов увеличился или уменьшился за водохозяйственный
год сток реки в результате его регулирования водохранилищем.
В многоводные годы межгодовое перераспределение стока, как правило,
незначительно (КVo  5%), так как многоводье вызвано неожиданно большими паводками,
для аккумуляции которых без надежного их прогноза невозможно подготовить
необходимую предварительно опорожненную полезную емкость. Исключение составляют
многоводные годы, которым предшествовал маловодный или близкий к маловодному год.
В среднем по многоводным годам имеет место удержание стока в водохранилище на 7%.
В средневодные годы перераспределение гидроузлом стока заметнее (от +26 до –34%),
причем в среднем за 27 средневодных лет водохранилище снижало речной сток на 3%.
Особенно сильно гидроузлом изменяется сток р. Москвы в маловодные годы. В годы с
относительно высоким половодьем (1963, 1972, 2002) удается достичь увеличения стока
на 15–26%, а в годы с низким половодьем (1965, 1973, 1996) водохранилище не заполняется
до НПУ (резерв по уровню полезной емкости к концу весны достигает 1,4–4,2 м).
55
В результате жесткой экономии водных ресурсов водохранилища и аккумуляции паводков в
такие годы уровень достигает годового максимума летом (1964, 1965, 1971, 1997) или даже
осенью (1996), а сток в нижний бьеф снижается на 17–36%. Все же в среднем за маловодные
годы водохранилище увеличивает сток воды в нижний бьеф на 7%.
Из этого следует вывод, что главная причина нестабильности колебаний уровня,
объема, площади, глубин в рассматриваемом водоеме – отсутствие долгосрочного, с годовой
заблаговременностью метеорологического и связанного с ним гидрологического прогноза
стока с водосбора, а также антропогенный фактор, определяющийся потребностями
водоснабжения.
В заключении анализа водности притока воды в Можайское водохранилище
рассмотрим соотношение «жаркости» и водности различных периодов года для рядов
наблюдений за 1961–2012 годы (таблица 15).
Таблица 15 – обеспеченность (Р, %) количества жарких дней (Тмакс > 25 °C) и
водности притока воды в Можайское водохранилище
Год
Количество
жарких дней
Годовой
приток
1
2010
1972
2
1,3
3,2
3
56,7
2002
1999
5,2
7,1
85,3
81,5
47,1
1988
2011
9,0
10,9
2001
2007
Половодье
Паводки
4
39,5
66,2
5
58,6
71,9
68,1
18,5
92,9
68,1
41,4
73,9
9,0
73,9
89,1
62,4
12,8
14,7
35,7
91,0
14,7
96,8
56,7
66,2
1995
1981
16,6
18,5
62,4
51,0
24,2
1989
1997
20,4
22,3
14,7
64,3
49,0
64,3
20,4
45,2
83,4
75,8
20,4
1968
1992
24,2
26,1
71,9
79,6
12,8
85,3
94,8
64,3
1996
28,1
92,9
98,7
49,0
2012
30,0
33,8
62,4
22,3
1986
2003
31,9
33,8
18,5
20,4
5,2
75,8
35,7
10,9
1963
1998
35,7
37,6
77,7
1,3
41,4
24,2
81,5
3,2
2006
1979
39,5
41,4
31,9
51,0
87,2
31,9
16,6
41,4
1967
2005
43,3
45,2
87,2
58,6
51,0
60,5
87,2
54,8
56
Продолжение таблицы 15
1
2008
2
47,1
3
12,8
4
54,8
5
14,7
1977
1961
49,0
51,0
39,5
66,2
37,6
28,1
39,5
79,6
1964
1973
52,9
54,8
98,7
68,1
77,7
71,9
91,0
47,1
1985
2004
56,7
58,6
30,0
9,0
33,8
49,0
31,9
7,1
1975
1966
60,5
62,4
81,5
3,2
96,8
98,7
1991
64,3
96,8
37,6
26,1
56,7
18,5
1969
66,2
89,1
70,0
73,9
1970
1994
68,1
70,0
24,2
43,3
1,3
22,3
83,4
52,9
1983
1971
71,9
73,9
47,1
79,6
37,6
26,1
2009
1982
75,8
77,7
45,2
52,9
5,2
91,0
7,1
1,3
30,0
1980
1984
79,6
81,5
35,7
89,1
12,8
43,3
2000
1987
83,4
85,3
10,9
75,8
28,1
60,5
58,6
43,3
33,8
77,7
1990
1974
87,2
89,1
3,2
16,6
52,9
5,2
70,0
1978
1976
91,0
92,9
30,0
26,1
28,1
60,5
1993
1962
94,8
96,8
92,9
10,9
85,3
9,0
16,6
70,0
22,3
54,8
83,4
7,1
1965
98,7
94,8
45,2
94,8
Примечание – цвета в таблице соответствуют обеспеченности «жаркости»
вегетационного сезона (таблица 10) и водности притока (таблица 14)
Из приведенной таблицы видно, что связь между количеством «жарких» дней в году
и его водностью очень слабая. Из 13 жарких лет только 3 было маловодных, 1 многоводный,
остальные – средние по водности. Правда, из 3 аномально жарких лет 2 (1972 г. и 2002 г.)
были маловодными. В целом для жарких лет все же прослеживается отрицательная связь с
водностью года (коэффициент корреляции r = –0,19) и паводковым стоком (r = –0,29), а для
холодных лет – положительная связь с водностью года (r = 0,46) и паводковым стоком
(r = -0,37). С притоком воды в половодье эта связь полностью отсутствует, так как объем
57
весеннего притока практически полностью определяется количеством осадков в зимний
период.
Для того, чтобы проверить, насколько выводы, полученные при анализе водного
режима Можайского водохранилища, справедливы и для остальных москворецких
водохранилищ, сопоставим изменчивость и характер колебаний различных гидрологических
характеристик в последнее 20-тилетие (таблица 16), данные за которое имеются в нашем
распоряжении (за исключением 1999 и 2011 гг). Немаловажно при сравнительном анализе и
то, что для всех водохранилищ в этот период определение притока выполнялось в МВК по
одной методике (упрощенный водный баланс с последующей корректировкой нами
отрицательных и других ненадежных величин).
Данные таблицы 16 показывают, что характер изменчивости притока воды
с водосборов водохранилищ в целом идентичен как в многолетнем плане, так и во
внутригодовом распределении. Коэффициент корреляции между годовым притоком воды
в водохранилища составляет 0,9. Исключением является Рузское водохранилище, в которое
в среднем более 50% воды поступает из Вазузской гидротехнической системы. Причем эти
поступления крайне изменчивы (Сv = 0,68), так как определяются потребностями
водообеспечения г. Москвы и графиком работы всех водохранилищ Москворецкой системы.
В маловодные годы объемы переброски стока обычно увеличиваются, в многоводные –
уменьшаются (их коэффициент корреляции с объемами притока воды в Можайское
водохранилище равен –0,38). Внутригодовое распределение стока в среднем на 70–80%
определяется половодьем и паводками, причем для всех водохранилищ в последние годы все
чаще отмечается больший вклад паводков в годовой приток, чем весеннего половодья
(в таблице 16 такие значения для паводков помечены желтым цветом). Чем локальнее
фактор воздействия, тем изменчивее вызванный им сток воды: коэффициент вариации
половодья Сv = 0,23–0,33, а паводков – 0,42–0,63. Более низкая связь стока с частного
водосбора Рузского водохранилища связана скорее всего не с природными факторами, а с
меньшей точностью учета поступления воды с водосбора и ее перекачки из ВГТС в
упрощенном балансе водохранилища.
В
среднем
наиболее
высокую
проточность
имеет
Рузское
–1
водохранилище (Кв = 2,7 год ) в результате переброски стока из ВГТС. В отдельные годы
величина коэффициента его водообмена может достигать 6–7 год–1 при максимальных
значениях Кв в других водохранилища 3 год–1 (исключение составляет 2008 год для
Можайского водохранилища в результате его сработки для ремонта плотины). Изменения
интенсивности внешнего водообмена неизбежно вызывают изменения ряда абиотических
факторов развития фитопланктона. При увеличении периода водообмена и ослаблении его
горизонтальной составляющей в водоеме заметно усиливаются биохимические процессы,
связанные с внутриводоемной динамикой вод. Это может оказывать существенное влияние
на увеличение первичной продукции в водохранилище при снижении его коэффициента
водообмена. Влияние колебаний водности притоков на эвтрофирование водохранилищ
проявляется не только через колебания уровня и проточности, но и через изменение
величины внешней фосфорной нагрузки, как естественной, так и антропогенной,
поступающей с водосборов с речным стоком. Известно, что содержание фосфора
максимально в половодье и в дождевые паводки. Поэтому увеличение интенсивности
58
Таблица 16 – Колебания показателей внешнего водообмена Москворецких водохранилищ в 1992–2012 гг.
Год
Приток
Половодье, %
Годовой, млн м3
Мв
Рвб
Рв
ВГТС
Паводки, %
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
138
127
198
165
84
149
266
160
180
176
131
171
232
155
181
115
182
212
169
189
186
214
173
112
209
316
79
36
53
57
52
28
28
47
39
55
56
27
27
35
20
25
18
7
22
44
51
188
212
162
191
91
157
334
1,7
1,7
2,0
2,1
1,1
1,4
2,2
1,8
1,9
1,4
1,6
1,1
1,3
2,1
1,3
2,2
4,0
1,9
1,6
1,8
2,0
2,2
1,7
2,1
2,3
1,7
1,6
1,8
1,4
2,1
1,6
1,7
1,3
1,3
1,7
1,7
1,4
1,6
1,8
1,7
2,1
1,9
1,3
1,8
1,6
2,3
1,5
51
50
41
35
34
304
159
199
1,7
1,9
2,2
2,1
1,2
1,7
3,2
2,6
2,2
2,2
2,2
2
2,4
2,2
1,8
1,5
4,6
3,4
1,8
1,3
1,8
2,7
5,6
3,6
6,9
1,8
3,3
2,6
174
296
490
270
287
322
209
319
210
379
412
149
158
169
184
58
137
243
29
148
177
166
109
238
183
137
141
131
218
186
48
238
266
308
284
123
298
609
388
286
356
270
290
490
369
239
277
446
439
313
211
311
386
718
466
723
214
492
456
11
22
30
45
52
32
34
46
46
63
53
16
17
23
5
19
33
49
4
17
20
5
39
50
13
48
18
36
58
16
220
23
12
19
25
37
51
60
16
31
18
5
55
53
21
52
26
49
72
20
23
47
11
41
33
23
15
45
62
70
52
42
35
40
48
39
23
42
27
35
55
47
52
59
36
43
33
61
43
54
57
33
31
55
30
33
36
22
59
176
50
48
63
54
34
38
32
65
44
63
48
33
36
53
34
37
37
21
60
55
45
1,7
1,4
1,4
45
0,27
44
0,33
45
0,27
40
0,26
34
0,54
37
0,42
26
0,63
34
0,47
324
0,33
375
0,42
156
0,33
211
0,32
2,2
0,35
1,7
0,18
1,7
0,19
0,48
0,92
0,76
0,56
0,92
0,74
0,00
0,57
0,79
2,7
0,54
–
0,14
0,21
0,46
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
235
228
319
275
193
312
621
313
351
334
235
387
474
293
340
203
428
531
295
246
336
150
214
213
190
55
197
329
226
497
268
554
208
315
168
124
178
144
163
211
167
142
173
180
249
279
44
146
383
189
89
81
107
123
118
145
134
Среднее
Сv
r
331
0,33
194
0,34
211
0,68
168
0,24
220
0,25
0,56
–0,38
0,92
0,89
321
Кв, год–1
Сброс, млн м3
179
235
168
217
310
234
210
185
269
332
228
49
43
46
31
30
50
27
29
27
36
48
14
40
15
48
59
23
51
41
59
50
32
155
208
214
164
307
261
136
253
189
360
223
Примечание – Сv – коэффициент вариации ряда; r – коэффициент корреляции между рядами Можайского водохранилища и других
водохранилищ МВХС; Мв – Можайское, Рв – Рузское, Ов – озернинское, Ив – Истринское водохранилища; Рвб – частный водосбор водохранилища;
ВГТС – поступление из ВГТС. Цвета в столбце «Годы» соответствуют принятой водности года (см. таблицу 14).
59
водообмена в многоводные годы, сопровождающиеся увеличением притока воды в водоем с
повышенной концентрацией биогенных веществ [22], приводит к возрастанию биогенной
нагрузки и может стать одним из факторов увеличения первичной продукции фитопланктона
в вегетационный период.
Корреляционная связь стока из Можайского водохранилища и других водохранилищ
системы заметно меньше, чем связь притока, поскольку зависит не только от природных, но
и от антропогенного фактора. С Рузским водохранилищем такая связь вообще отсутствует.
То же самое можно сказать и о проточности всех водохранилищ системы.
Вклад водных масс различного генезиса в формирование гидрологической структуры
Москворецких водохранилищ за рассматриваемый период существенно различался
(рисунок 26). В конкретные годы эти различия могут быть еще более значимыми.
Рисунок 26 – Доля водных масс различного генезиса в структуре притока воды в
водохранилища МВХС, 1992–2012 гг.
Как видно из этого рисунка, на формирование основной водной массы Рузского
водохранилища, расположенного на трассе переброски стока из бассейна р. Волги в бассейн
р. Москвы, в настоящее время основное влияние оказывает поступление воды из Вазузской
гидротехнической системы. Особенностью притока воды в Можайское водохранилище
является то, что с 20% площади его водосбора (бассейн р. Колочь) поступление воды в
водоем осуществляется в виде перекачки насосами Колочского гидроузла на границе
средней и нижней части водохранилища. Приток воды по главной реке Озернинского
водохранилища в определенной степени зарегулирован расположенным в ее верховьях
Тростенским озером. На формирование водной массы Истринского водохранилища
основное влияние оказывает многолопастной характер его ложа и слияние в верхней части
водоема трех близких по площади водосбора рек – Истры, Катыша и Нудоли. Все эти
особенности притока воды в водохранилища не могут не сказываться на условиях развития в
них фитопланктона и процессов продуцирования. Это приводит к тому, что различия вклада
вод различного генезиса в формировании водных масс разных водохранилищ в
вегетационный сезон могут быть очень существенны.
В таблице 17 представлены результаты анализа изменчивости показателей
наполнения и регулирования стока Москворецкими водохранилищами в 1992–2012 гг.
60
Таблица 17 – Колебания показателей наполнения и регулирования стока Москворецкими водохранилищами в 1992–2012 гг.
Наполнение, м
Дата начала водохозяйственного года
∆H
Год
КVo
δН
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
Мв
Рв
Ов
Ив
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
8 апр
17 мар
5 апр
23 фев
6 апр
5 мар
26 фев
31 мар
4 апр
15 мар
5 фев
1 апр
18 мар
8 апр
4 апр
10 мар
28 фев
31 мар
24 мар
5 апр
10 апр
15 янв
20 окт
3 фев
25 янв
24 мар
26 сен
20 фев
5 мар
16 мар
3 мар
2 мар
7 апр
26 фев
31 мар
2,5
3,1
7,6
5,1
3,4
3,9
3,5
2,9
2,7
5,3
2,9
1,5
3,6
1,6
–1,3
–1,5
–0,1
–0,3
–3,6
–0,6
–0,2
–1,0
–1,4
–0,5
–0,4
–3,1
–0,2
–0,2
3,7
3,4
1,7
3,7
2,4
2,5
3,4
0,8
4,2
1,3
2,0
–1,0
–0,3
–0,9
–0,7
–0,6
–0,4
–2,1
–0,6
–0,4
–1,0
0,0
–0,7
–0,2
–0,7
–0,5
–0,2
–0,3
–1,8
–0,3
–0,3
–0,1
–0,4
–1,1
–0,3
–1,0
–1,6
–0,2
–0,3
–1,0
–0,5
–0,4
–0,1
–0,4
3
–9
–7
–23
–4
30
–16
8
–30
–4
0
8
25
–14
11
–31
–8
–9
–82
–18
0
27
–37
3
18
–24
23
–28
3
10
–1
14
–24
10
–19
–25
6
5,6
3,7
3,2
6,8
2,2
2,9
3,9
1,4
4,5
1,8
2,2
9 апр
9 апр
2,8
2,6
2,3
0,0
–0,2
–0,3
1
17
–3
3
–36
–4
–2
24
–19
7
15
–25
3
26
–30
36
4
–17
6
–14
–7
3
1
–3
–3
–19
–4
–8
4,2
5,7
5,1
5,0
1,9
1,9
4,4
4,0
6,2
2,5
2,4
–1,3
–1,6
–0,4
–0,2
–2,4
–0,4
–0,1
–0,9
–1,1
–0,3
–1,0
–0,7
–0,2
–0,2
–0,8
–0,3
–3,1
–0,5
–0,4
–0,3
–0,3
–1,5
–1,5
–0,6
–2,7
–1,9
–0,2
–0,2
18 мар
3,3
3,4
7,2
6,9
3,7
3,1
3,1
2,7
6,6
3,4
4,4
7,2
2,9
2,4
6,1
4,0
3,1
7,6
3,0
4,6
3,2
2,3
3,2
5,2
2,8
3,7
3,7
3,5
6 апр
16 ноя
25 янв
31 мар
2 мар
8 янв
21 янв
24 ноя
25 янв
18 окт
18 сен
26 мар
16 мар
17 мар
14 фев
4 апр
21 фев
9 фев
31 мар
8 фев
6 мар
12 фев
2 апр
18 мар
6 апр
3 апр
10 мар
26 фев
2 апр
28 мар
–5
–10
–10
Среднее
21 мар
9 янв
14 мар
17 мар
4,4
3,7
3,7
2,7
–0,8
–0,9
–0,7
–0,7
–1
–5
–7
–4
Макс
10 апр
6 апр
9 апр
15 апр
7,6
6,2
7,6
5,3
–0,1
0,0
–0,1
–0,1
36
30
27
37
Мин
5 фев
18 сен
8 фев
5 фев
2,4
1,9
1,4
0,8
–3,1
–2,7
–3,6
–3,1
–36
–30
–82
–35
5 апр
15 апр
6 мар
10 мар
19 мар
7 апр
30 мар
2 мар
12 мар
5 фев
28 мар
–13
–11
27
–24
–1
12
–35
37
–29
8
–2
Примечание – Мв – Можайское, Рв – Рузское, Ов – озернинское, Ив – Истринское водохранилища; Цвета в столбце «Годы» соответствуют
принятой водности года (см. таблицу 14)
61
Во всех москворецких водохранилищах длительность водохозяйственного года сильно
варьирует, особенно в Рузском водохранилище – от 186 суток в 1996 г до 512 суток
в 1997 водохозяйственном году, который растянулся с 26 сентября 1996 г по
19 февраля 1998 года. Диапазон вариации дат начала водохозяйственных лет (дат начала
ежегодного наполнения водохранилищ) для Можайского, Озернинского и Истринского
водохранилищ составляет 60–70 суток – с 5–8 февраля до 9–15 апреля. Для Рузского
водохранилища этот диапазон составляет 200 суток – с 18 сентября до 6 апреля. Из таблицы
видно, что, как правило, завершения предвесеннего опорожнения полезных емкостей
москворецких водохранилищ и начала их наполнения происходит неодновременно. Если не
рассматривать Рузское водохранилище, режим наполнения и сработки которого во многом
определяется его расположением на трассе переброски стока из Вазузской гидротехнической
системы в Москворецкую, то различия в датах начала весеннего наполнения остальных
водохранилищ могут достигать 56 суток при среднем значении 18 суток.
В рассматриваемый период уровень воды достигал НПУ только один раз в Рузском
водохранилище (2010 г.), во всех остальных водохранилищах ежегодно уровень воды не
достигал НПУ (в среднем на 0,7–0,9 м). Максимальный недобор воды в водохранилищах
наблюдался в разные года: в Озернинском и Истринском – в маловодный 1996 г., в
Рузском – в средневодном 1995 г., в Можайском – в многоводном 2008 г. (здесь недобор был
связан с необходимостью обеспечения ремонта плотины). Вместе с тем, в каждом
водохранилище внутригодовые колебания уровня воды имели специфические особенности,
поэтому ни в один водохозяйственный год на всех водоемах не отмечено полного
совпадения хода уровня. Величина ежегодного наполнения водохранилищ ∆H составляет в
среднем 2,7–4,4 м, максимум – до 7,6 м. Средний коэффициент регулирования стока КVo для
всех водохранилищ отрицательный, то есть водохранилища частично снижают речной сток.
Наиболее значимо этот процесс выражен в Озернинском водохранилище, наименее –
в Можайском.
Таким образом, анализ многолетних колебаний трех параметров уровенного
режима – длительности водохозяйственных лет, подъема уровня в фазу наполнения
полезного объема и резерва по уровню в его емкости (по существу, это – величина
недозаполнения водохранилища водой до НПУ) – показывает, что в водохранилищах
Москворецкой водной системы они практически не связаны между собой в результате
определяющего воздействия на них антропогенного фактора. Данные наблюдений
свидетельствуют о крайне нестабильном режиме уровня в водохранилищах (см. рисунок 25),
что подтверждается и значениями коэффициента вариации. Величины Сv величины
ежегодного наполнения водохранилищ ∆Н – важнейшей для состояния экосистемы
гидрологической
характеристики – изменяется
от 0,35
для
Рузского
до 0,44
для Озернинского водохранилища, а величина Сv среднесуточных значений отклонения
уровня воды от НПУ – от 0,60 для Рузского до 1,24 для Истринского водохранилища.
Колебания уровня в Москворецких водохранилищах оказывают существенное
влияние на различия в них продукционных процессов [23]. В вегетационный период года они
приводят 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
62
биогенных веществ. Таким образом, колебания уровня в вегетационный период – важный
гидрологический фактор внутренней фосфорной нагрузки москворецких водохранилищ,
вызывающей вспышки развития фитопланктона.
Кроме того, колебания уровня ведут к изменению 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, и макрофитов, снижающего фосфорную
нагрузку водоема и тем самым подавляющего 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 [24] и резкому увеличению внутренней биогенной нагрузки водной экосистемы.
В этом отношении увеличение полифазности колебаний уровня в водохранилищах
многолетнего регулирования в летний период оказывает отрицательное влияние на
продукционные процессы в водоеме. В целом ряде случаев обнаружилась тесная обратная
связь биомассы фитопланктона с уровнем воды в водохранилище [23].
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 процесса эвтрофирования. В таблице 18
приводятся значения изменения площади мелководий (глубиной до 2 м) водохранилищ при
отклонении уровня воды от НПУ на величину δН м.
Таблица 18 – Площади (км2) мелководий с глубиной до 2 м в Москворецких
водохранилищах при отклонении уровня воды от НПУ на величину δН, м
δН, м
0
–1
–2
–3
–4
–5
–6
–7
Можайское
4,11
4,43
4,76
4,44
4,55
4,48
3,77
3,25
Водохранилище
Рузское Озернинское
5,43
5,09
5,49
4,89
5,58
4,21
5,51
3,72
5,04
3,68
4,48
3,15
4,30
2,26
4,29
2,19
Истринское
10,08
6,80
5,82
5,19
4,47
4,20
4,32
3,89
В литературе высказывается мнение, что необходимым условием массового развития
синезеленых водорослей является присутствие в водоеме хорошо прогреваемой литоральной
зоны. Считается, что фаза всплытия клеток цианобактерий начинается с поверхности раздела
«вода–донные отложения» при прогреве воды до 10–15 °C [25]. Существенное значение для
развития «цветения» на мелководьях может иметь и обеспечение поступления биогенных
веществ в зону фотосинтеза в результате ветрового перемешивания. Кроме того, понижение
63
уровня воды неуклонно приводит к превращению более глубоководных участков в
мелководные, что делает более доступными биогенные вещества, поступающие из донных
отложений [26].
Динамика вод водохранилищ. Динамические факторы наиболее значимы для
короткопериодных (синоптических) колебаний продукционных процессов. По данным
наблюдений и моделирования пространственная структура ветровых течений имеет важное
экологическое значение, поскольку апвеллинги и даунвеллинги служат центрами
интенсификации
продукционно-деструкционных
процессов
и
формирования
биопродуктивности экосистемы в слабопроточных москворецких водохранилищах, а зоны
повышенных скоростей течений приводят к выравниванию свойств стратифицированных
летом водных масс водоемов [27]. Эти же явления имеют место и в водохранилищах КИМ,
но в существенно меньшей мере.
Воздействие гидродинамических процессов на жизнедеятельность фитопланктона
неоднозначно. Они могут как усиливать, так и ослаблять продукционные процессы.
Турбулентное перемешивание воды приводит к усилению обменных процессов между зоной
питания клетки и окружающей водной средой, изменяет скорости седиментации,
перераспределяет водоросли и биогенные элементы в пределах водоема и отдельных
слоев [28]. Вместе с тем, при интенсивном турбулентном перемешивании в штормовых
условиях в некоторых случаях отмечается практически полное подавление процесса
фотосинтеза. Кроме изменений характеристик водной толщи, вызванной синоптическими
колебаниями, возможны резкие изменения гидрологической структуры в результате
сгонно-нагонных явлений.
Биогенные и органические вещества, поступающие с речным стоком в приустьевые
заливы москворецких водохранилищ в составе преимущественно весенних (в половодье) и
паводочных (в летне-осенний период) речных водных масс, распространяются затем по
водоему и преобразуются в нем при формировании из речных вод основной водной массы
водохранилищ под воздействием разнообразных динамических процессов. Сочетание
течений и вертикального турбулентного перемешивания воды определяет в каждый сезон
водохозяйственного года пространственную гидрологическую структуру водохранилища,
под которой понимают распределение в нем генетически и качественно относительно
однородных водных масс. От интенсивности, в первую очередь, конвективного
перемешивания этих масс в относительно глубоководных и слабо проточных
водохранилищах зависит глубина слоя скачка температуры и плотности воды, обмен
биогенными веществами между дном, трофолитическим и трофогенным слоями водной
толщи, обусловливающий внутреннюю биогенную нагрузку экосистемы. А именно в тех
участках водоема, где в какие-то моменты вегетационного периода происходит наложение
внутренней нагрузки на внешнюю и возникают особенно благоприятные гидрологические
условия для вспышки цветения водохранилища.
В мелководных верховьях водохранилищ толщина трофолитического слоя
значительно меньше, чем на остальной акватории. Поэтому в верховьях затопленных
участков речных долин притоков водохранилищ находятся трофогенные области, где
первичная продукция за вегетационный период превышает деструкцию органического
вещества. В глубоководной части водохранилищ находится гораздо более обширная
трофолитическая область, где во все сезоны года преобладает деструкция веществ [29].
64
Москворецкие водохранилища, как и все водоемы многолетнего регулирования
речного стока, слабопроточны, даже несмотря на то, что в последние два десятилетия их
водообмен увеличился почти на 20%: среднегодовые значения коэффициента водообмена за
период с 1992 по 2012 г. для Истринского и Озернинского водохранилищ равны 1,7,
для Можайского – 2,2, а для Рузского – 2,7 год–1 (таблица 14). Поэтому в них скорости и
расходы стокового течения, обусловленные уклоном водной поверхности, столь малы, что
во все фазы водного режима, кроме короткой (1–2 недели) фазы интенсивного весеннего
наполнения, соизмеримы со скоростями и расходами придонного плотностного течения.
Последнее инструментально зафиксировано во всех 4 водохранилищах наблюдениям
гидрологов и гидрофизиков МГУ в 1996–2000 гг [30]. Оно образуется вследствие
имеющихся во все сезоны года горизонтальных градиентов плотности в водной толще из-за
различий температуры и минерализации водных масс.
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. Поэтому рассмотрим подробнее особенности внутримассовых
динамических процессов в Москворецких водохранилищах в разные фазы их
гидрологического режима в вегетационный период.
В фазу весеннего наполнения водохранилищ важнейшую роль в формировании
химического состава весенней водной массы ВВ в приплотинных районах водохранилищ
играет
ранневесеннее
конвективное
перемешивание
слоев
зимних
водных
масс - основной ВЗ, речной РЗ и донной ДЗ , вытесненных сюда весенней речной водной
массой РВ из верхнего и центрального районов еще под всплывающем при наполнении
водоема покровом льда. После завершения здесь таяния льда, начинается быстрый прогрев
верхних слоев воды поглощаемым ими солнечным светом, усиливающийся турбулентным
теплообменом воды с более нагретым над ней воздухом. С ростом температуры верхнего
слоя воды увеличивается ее плотность и гравитационная неустойчивость, возбуждающая
конвективное перемешивание. Оно день за днем охватывает все более глубокие слои, над
которыми быстро растет толщина полностью перемешанного верхнего слоя.
Интенсификации этого процесса способствует ветроволновое перемешивание, энергия
которого в конвективно перемешанном водном слое может распространяться до его нижней
границы. По мере того, как, с одной стороны, растет глубина наполняющегося
водохранилища и, с другой стороны, вовлекаются в перемешивание все более
минерализованные глубинные слои водных масс, сначала РЗ, а затем и ДЗ, энергия
перемешивания все более гасится внутренним трением. Поэтому в одни вёсны, когда
медленно растет уровень или из-за зимних оттепелей сравнительно невелика минерализация
65
речных вод РЗ предшествующего водохозяйственного года, ранневесенняя вертикальная
циркуляция воды достигает дна, насыщая всю водную толщу хорошо растворяющимся в
холодной воде атмосферным кислородом и вынося из придонных слоев к поверхности
накопившиеся в них за зиму продукты деструкции органических веществ – двуокись
углерода СО2 и минеральные биогенные вещества. Таким образом, диатомовые водоросли в
начале весенней вспышки своего развития в приплотинном районе обеспечиваются
питанием, в первую очередь, за счет внутренней биогенной нагрузки.
В годы с иными условиями наполнения водохранилища и ветрового перемешивания
или формирования минерализации водных масс РЗ и ДЗ ранневесенняя конвекция
завершается при достижении поверхностным слоем воды температуры 4С, не достигнув
дна. В такие годы в русловой ложбине, а иногда и в надпойменном слое, сохраняются
весной лишенные кислорода и насыщенные биогенными веществами остатки зимних вод.
В следующую фазу весны – фазу весенне-летней стабилизации динамического
состояния водоемов и формирования в них основной летней водной массы ВЛ – главную
роль в динамике играет, как показали наши исследования [31, 32], уже не вертикальная,
а горизонтальная плотностная циркуляция. Она развивается из–за того, что
сформировавшаяся весенняя водохранилищная водная масса ВВ оказывается более
минерализованной, холодной и потому более плотной, чем Р В весеннего половодья,
заполняющая центральный район водохранилища. Горизонтальный градиент плотности
воды между этими водными массами возбуждает в нижней части водной толщи плотностное
противотечение, направленное от плотины гидроузла вверх по водохранилищу. Стоковое
течение в верхней части водохранилища и плотностной отток от плотины создают условия
для подъема (апвеллинга) вод пика половодья в средней части водохранилища и их
растеканию в поверхностных горизонтах в виде компенсационных течений как вниз, так и
вверх по водохранилищу (рисунок 27).
Рисунок 27 – Течения в области выклинивания подпора (I), в верхнем (II),
центральном (III) и приплотинном (IV) районах Можайского водохранилища во
вторую фазу весеннего сезона: стоковое (черные стрелки), плотностное (красные
стрелки) и компенсационное (голубые стрелки); Q – доля расхода воды каждого из этих
течений во внутреннем водообмене районов
66
Расчеты показали, что скорости этих течений не превышают 1 см/с, но, в отличие от
более энергичных ветровых течений, они не эпизодичны, а постоянны и по направлению и
по скорости. В совокупности с ветровым и конвективным перемешиванием это обеспечивает
ежегодное образование к концу весны очень химически однородной и самой большой по
объему летней водной массы ВЛ. Ее фосфорная нагрузка, таким образом, формируется за
счет как внешнего источника (биогенного стока с водосбора в половодье), так и внутреннего
(регенерированных зимой биогенных веществ в наиболее глубоководном районе
водохранилища).
Величина этой суммарной фосфорной нагрузки обусловливает колебания от году
к году обилия питательных веществ для развития летнего фитопланктона на акватории
большей части водохранилища в зависимости от размеров половодья (нередко
увеличивающегося за счет наложения на его спад весенних дождевых паводков) и
колебаний концентрации общего фосфора в его водах и в весенней водной массе ВВ.
В летний гидрологический сезон соотношение роли различных динамических
процессов в развитии трофики водохранилищной экосистемы особенно сильно зависит от
погодных условий. Как показали расчеты по модели ГМВ–МГУ, этот сезон наиболее
сильного цветения эвтрофных водохранилищ начинается в тот день, когда температура
поверхности водоема становится выше среднесуточной температуры приводного слоя
воздуха, и турбулентный теплообмен из приходной составляющий теплового баланса
водоема превращается в расходную не только днем, но и ночью. Вследствие этого возникает
ночная конвекция, приводящая в сочетании с дневным поглощением света водой, к
возникновению в слабопроточном водохранилище на некоторой глубине (1–3 м, но иногда и
глубже) слоя температурного (и плотностного) скачка.
В преимущественно безоблачную и безветренную погоду, обычную для
стационарных антициклонов, при достаточной концентрации минерального фосфора в
поверхностном прогревающемся слое воды в утренние часы быстро увеличивается биомасса
фитопланктона. Поглощение при этом водорослями неорганического углерода ведет к
повышению в трофогенном слое величины рН и к кристаллизации в воде СаСО3. Как
показали наши наблюдения, образующиеся кристаллики кальцита имеют микронный размер
и поэтому становятся хорошим сорбентом ортофосфатов, что ускоряет снижение
концентрации выедаемого водорослями минерального фосфора в этом слое, тормозя
развитие фотосинтеза во второй половине дня. С началом вечернего охлаждения водной
поверхности в такую погоду начинает развиваться ночная конвекция, увлекающая в глубину
из трофогенного слоя не только водоросли и детрит, но и кристаллы кальцита с
сорбированным на них фосфором. Попадая в трофолитический слой, где доминируют
процессы деструкции и происходит частичное окисление детрита (вызывающее снижение
концентрации кислорода и рост рН), кристаллы частично растворяются, а десорбированные
и регенирированные при разложении детрита ортофосфаты восходящими конвективными
токами воды к утру поднимаются снова к водной поверхности, обеспечивая частичное
восполнение запаса питательных веществ для утреннего роста фитопланктона. Этот
механизм малого внутримассового круговорота фосфора с нашей точки зрения объясняет
возможность длительного цветения стратифицированных районов водохранилища (вплоть
до 3–4 недель) при устойчивой антициклонической погоде. При нередких в такую погоду
слабых ветрах (1–3 м/с) в послеполуденные часы возникает сгон тонкого, наиболее
67
прогретого днем поверхностного слоя воды с обильным фитопланктоном к наветренному
берегу. В его заливах накапливаются особенно большие биомассы синезеленых водорослей,
концентрация которых здесь может достигать значений, свойственных гипертрофным
водоемам. В то же время в зоне сгона у подветренных участков берега к поверхности
поднимается относительно прозрачная вода с большим содержанием растворенных
питательных веществ, регенерированных в слое скачка. Это создает условие для локального
ускорения здесь продукционного процесса в конце светлой части суток.
Таким образом, летом при длительной антициклонической погоде из-за особенностей
динамики вод в условиях неустойчивых по направлению и скорости слабых (10 см/с)
ветровых течений и еженочного неглубокого (до 4–5 м) конвективного перемешивания
наблюдается, как правило, наибольшая пятнистость распределения планктона в
водохранилище, которая ярче проявляется в периоды наибольшего прогрева поверхностного
слоя и цветения синезеленых водорослей.
В пасмурную циклоническую погоду, обычно сопровождающуюся летом
похолоданиями и усилением устойчивых по направлению чаще всего западных и
северо-западных ветров, в расширенных плесах водохранилищ формируются системы
ветровых течений в сочетании с развивающейся в любое время суток упорядоченной
конвекцией в форме вихрей Ленгмюра. Вызываемое этими вихрями, течениями и ветровыми
волнами высотой до 1 м интенсивное горизонтальное и вертикальное перемешивание
выравнивает по акватории и по вертикали распределение растворенных и взвешенных
веществ, фитопланктона, продуктивность, численность и биомасса которого падает из-за
многократного ослабления потока солнечного света сплошным облачным покровом. Такое
перемешивание, преодолевая гидростатическую устойчивость синоптического слоя скачка,
погружает его к концу июля до дна надпойменных участков в центральном районе
(до глубины 10–12 м). Поэтому здесь он сохраняется затем до конца вегетационного сезона в
виде сезонного термоклина только над узкой и извилистой русловой ложбиной и другими
понижениями донного рельефа.
В более глубоководном приплотинном районе между слоем скачка и дном не только
русловой ложбины, но и более обширных надпойменных участков обычно сохраняется
тонкий, толщиной всего в 1–3 м слой гиполимниона с пониженной температурой и острым
дефицитом растворенного кислорода. В такую погоду в зонах нагона на наветренных
участках берега развивается абразия и размыв обрушающегося грунта, глинистые фракции
которого выносятся прибрежными течениями в центральные участки плесов. Увеличение
концентрации минеральной взвеси уменьшает прозрачность, что одновременно с
ослабленным светом сокращает толщину фотического и трофолитического слоев, уменьшая
тем самым и продуктивность фитопланктона. Этому способствует и не меньшая, чем у
кристаллов кальцита, сорбционная способность глинистых частиц в отношении
ортофосфатов, что также приводит к сокращению продуктивности фитопланктона в
циклоническую погоду.
У приглубых подветренных берегов в зоне сгона возникает апвеллинг, т.е. подъем к
поверхности сезонного слоя скачка и гиполимниальных прозрачных вод, почти лишенных
кислорода, но богатых СО2 и минеральным фосфором и азотом, где при последующем
улучшении погоды и подводной освещенности возникают особенно благоприятные условия
68
для вспышки развития фитопланктона (это – проявление так называемого большого,
внутриводоемного круговорота фосфора).
На рисунке 28 показана карта осредненных по вертикали от поверхности до дна
ветровых течений в типично циклоническую погоду в районе Красновидовского плеса
Можайского вдохранилища, полученных нами расчетом по гидродинамической двухмерной
модели с криволинейной расчетной сеткой, специально адаптированной к неровностям
донного рельефа [27]. Результаты этого расчета надежно верифицирован сопоставлением с
данными квазисинхронной динамической съемкой плеса, выполнявшейся 12.07.1999 г.
шестью сериями запуска поверхностных и разноглубинных поплавков с одновременной
регистрацией самописцами БПВ–2р каждые 5 мин скорости и направления течений на
рейдовой станции в верхнем перемешанном и в придонном слоях воды. Видно, что поле
течений представляет сложное переплетение противоположно направленных и сильно
изогнутых потоков шириной от 30-50 до 400-500 м. Среди них расположено более десятка
зон очень медленного (3 см/с) вращательного движения воды. Они имеют
эллипсообразную форму с длиной осей до 100-300 м.
Рисунок 28 – Рассчитанное векторное поле осредненного от поверхности до дна
ветрового течения при западном ветре 7 м/с (а) и выделенные по нему элементы
структуры ветровых течений (б): 1 – преобладающие потоки; 2–3 – зоны медленного
циклонического и антициклонического вращений воды; 4–8 – участки акватории со
средней скоростью ветровых течений: 4 – < 3 см/с, 5 – 4-7 см/с, 6 – 6-12 см/с,
7 – 13-18 см/с и 8 – > 18 см/с
69
На карте выделены зоны, в пределах которых векторы осредненного по вертикали
течения имеют скорость в одном из 5 интервалов. Крупными стрелами показаны форма и
направление основных потоков, одни из которых – преимущественно дрейфовые течения,
другие – преимущественно компенсационные противотечения; эллипсами показаны зоны
малых скоростей с вращательным движением воды по ходу часовой стрелки или в
противоположном направлении. Структура течений при каждом из четырех
смоделированных направлений ветра (северо–западный, северо–восточный, юго–восточный
и западный) со скоростью 3 и 7 м/с очень сходна, хотя при более сильном ветре скорость
течений больше. Расчеты для западного ветра показали, что эта структура течений начинает
формироваться уже при ветре 0,5 м/с и стабилизируется при его скорости 1–3 м/с.
В распределение зон дрейфовых течений и компенсационных противотечений при
любом направлении ветра видна закономерная их обусловленность рельефом дна. Скорость
дрейфовых течений возрастает на отмелых участках ложа и у наветренных берегов, где
образуются вдольбереговые течения. При сходе с мелководья их скорость падает.
Компенсационные течения концентрируются в русловой ложбине и на глубоких
надпойменных участках. Их заметно большая скорость по сравнению с дрейфовыми
течениями имеет место во всех плесах. По данным самописцев, максимальная скорость
надруслового компенсационного течения на горизонте 5 м достигала 28 см/с, а в 1 м от дна
ложбины (на глубине 12 м) – 19 см/с. Там, где на картах получены противотечения, у
поверхности можно ожидать отсутствия дрейфового течения, неоднократно наблюдавшееся
при запусках поплавков. О том, что роль узкой (70 м) русловой ложбины в формировании
структуры поля ветровых течений очень велика свидетельствует и численный эксперимент, в
котором из гидродинамической модели была исключена врезанная дно форма этой ложбины.
В результате было получено существенно деформированное поле ветровых течений,
несхожее с наблюдавшимся в динамических съемках плеса.
Расположение центров зон малых скоростей на картах практически неизменно при
смене направления ветра, от него зависит лишь направление вращения воды в таких зонах.
При медленном вращении воды по направлению хода часовой стрелки в них происходит
погружение поверхностных вод (даунвеллинг), при противоположном вращении – подъем
глубинных вод (апвеллинг). Такие зоны приурочены к определенным формам рельефа дна и
их можно разделить на две группы: зоны у приглубых берегов и зоны над поверхностью
затопленной поймы. Такие зоны видны на полученных картах даже в центре расширенных
плесов.
Ветровое воздействие на водную поверхность возбуждает не только сгонно-нагонные,
но и постепенно затухающие в течение многих часов после прекращения ветра сейшевые
колебания водной поверхности, сопровождающиеся внутренней сейшей. Она проявляется в
вертикальных колебаниях температурного (плотностного) слоя скачка. При действии ветра
вдоль продольной оси Можайского водохранилища период одноузловой сейши равен
2-2,5 час. И если амплитуда поверхностной сейши в Красновидовском плесе Можайского
водохранилища составляет всего 1-2 см, то амплитуда внутренней сейши достигает 1 м при
глубине колеблющегося слоя – от 5 до 11 м. Из-за этого в таком слое на одном и том же
горизонте температура варьирует в пределах до 1 С, колеблются и значения рН,
70
концентрации кислорода и других характеристик состава воды в пределах, зависящих от их
вертикального градиента в слое скачка.
1.2.3 Водохранилища Волжской системы водоснабжения
Гидрологический режим водохранилищ Волжского водоисточника, расположенных
на канале имени Москвы и объединенных единым бьефом, определяется режимом
перекачки волжской воды из Иваньковского водохранилища и интенсивностью ее
потребления на нужды водоснабжения г. Москвы, судоходства и обводнение рек. Поэтому
для оценки особенностей гидрологического режима этих водохранилищ нами был выполнен
анализ данных режимных декадных водных балансов водораздельного бьефа за период
с 1984 по 2012 годы, составленных в отделе гидросооружений ФГУП канала им. Москвы.
Водный баланс водораздельного бьефа КИМ. Водный баланс водораздельного бьефа
канала рассчитывается по следующему уравнению (10):
WВ + WБ – WПВ – WС – WР – WП = ΔW
(10)
где WВ – объем перекачки волжской воды; WБ – приток воды с примыкающего водосборного
бассейна; WПВ – потребление воды на промышленное и питьевое водоснабжение; WС – сброс
воды во время пропуска судов через шлюзы №6 и №7; WР – потребление воды на санитарное
обводнение рек, входящих в систему канала; WП – потери воды на фильтрацию и испарение,
включающие в себя и погрешность расчета баланса; ΔW – аккумуляция воды в
водораздельном бьефе.
Структура баланса за последние 28 лет эксплуатации канала, а также в многоводный и
маловодный годы, представлена в таблице 19. Анализ годовых водных балансов
водораздельного бьефа показал, что его водные ресурсы на 84–94% формируются из
волжской воды. Накопленная вода расходуется преимущественно на водоснабжение
г. Москвы (40–50%), санитарное обводнение рек Москвы, Яузы, Учи, Клязьмы (25–40%)
и судоходство (10–20%). Объем водозабора из Иваньковского водохранилища зависит как от
естественных причин (водности года), так и от антропогенного фактора. Диапазон
межгодовой изменчивости перекачки воды достигает 1,2 км3: от 1,4 км3 в аномально
многоводном 2009 г. до 2,6 км3 в аномально маловодном 1996 г.
Таблица 19 – Водный баланс водораздельного бьефа канала им. Москвы
Среднее за
Маловодный год
Многоводный год
Статьи
1984–2011 гг.
(1996 г)
(2009 г)
баланса
3
3
млн м
%
млн м
%
млн м3
%
WВ
2117
89
2635
94
1396
83
WБ
258
11
167
6
292
17
Σ прихода
2375
100
2802
100
1688
100
WПВ
1091
46
1287
46
749
46
WР
708
29
1126
40
368
29
WС
395
17
284
10
291
17
WП
180
8
100
4
265
8
Σ расхода
2374
100
2796
100
1673
100
Кв
7,5
9,0
5,2
71
Чтобы более четко оценить влияние водности на структуры водного баланса
водохранилищ, исключив возможные незакономерные влияния на него условий конкретных
лет, рассмотрим осредненные водные балансы за 6 маловодных (1984, 1992, 1993, 1996, 2002
и 2007 гг.) , 6 многоводных (1986, 1990, 1998, 2004, 2008, и 2009 гг.) и 6 средневодных (1987,
1994, 1995, 1997, 1999 и 2010 гг.) лет (таблица 20). Отклонения составляющих водного
баланса многоводных и маловодных лет (Wм) от средневодных лет (Wс) оценим по
соотношению (11):
∆отк = (Wм – Wс)/ Wс·100%
(11)
Из таблицы видно, что в маловодные годы по сравнению со средневодными годами
заметно возрастает потребление воды на обводнение рек (на 27%), увеличиваются, хотя и не
столь значительно (на 7%), затраты на водоснабжение г. Москвы и пригородов. В связи с
этим возрастает объем перекачки по каналу (на 14%) и интенсивность водообмена
водохранилищ (на 9%). При этом, существенно уменьшается приток воды с частных
водосборов водохранилищ – на 23%. В многоводные годы в структуре водного баланса
на 14% снижаются затраты на обводнение рек. Заметно возрастает доля притока воды с
бокового водосбора водораздельного бьефа (на 24%), что приводит к увеличению
вероятности снижения качества воды его водохранилищ в это время в результате большего
поступления биогенных и загрязняющих веществ с поверхностным стоком. Интенсивность
водообмена водохранилищ также увеличивается.
Таблица 20 – Водный баланс водораздельного бьефа за разные по водности периоды
времени
Многоводные
Маловодные
Средневодные
∆отк
∆отк
Статьи
годы
годы
годы
баланса
3
3
3
м /с
%
%
м /с
%
%
м /с
%
WВ
60,0
86
–6
74,8
92
+14
65,5
89
WБ
10,0
14
+24
6,3
8
–23
8,2
11
Σ прихода
70,0
100
–5
81,1
100
+10
73,7
100
WПВ
32,5
47
–4
36,8
45
+7
34,4
46
WР
17,1
25
–14
27,8
34
+27
21,9
30
WС
12,7
18
+6
12,1
15
+2
11,8
16
WП
7,2
10
+23
4,6
6
–22
5,9
8
Σ расхода
69,5
100
–6
81,2
100
+10
74,0
100
Кв
7,8
+6
8,1
+9
7,4
Как уже отмечалось выше, с конца 80-х – начала 90-х годов в Московском регионе
наблюдается устойчивый тренд климатического потепления и изменчивости водного стока.
Эти два природных фактора оказали существенное влияние на гидрологический режим
водохранилищ Москворецкой системы. Безусловно, они также повлияли на режиме
водохранилищ КИМ, но все же основной вклад в его трансформацию в последнее время
оказала смена экономической формации в нашей стране в начале 90-х годов и связанная с
ней перестройка промышленного водопотребления в московском мегаполисе. На рисунке 29
представлен хронологический график составляющих водного баланса водораздельного бьефа
72
канала в 1984-2011 гг., на котором четко видны происходящие за последние годы тенденции
их изменения.
Рисунок 29 – Динамика составляющих водного баланса водораздельного бьефа канала
в 1984–2011 гг.
Объемы подачи волжской воды в водохранилища водораздельного бьефа постоянно
росли, начиная с послевоенных лет. Пик перекачки приходится на 1984 г., если не считать
аномально маловодного 1996 года. С начала периода «перестройки» в 1985 г. отмечается
в целом устойчивое снижение объемов перекачки, прерванное на 5 лет в 1992–1996 гг.
серией маловодных лет, когда потребности в водообеспечении города и обводнении рек
были повышенные и, соответственно, был увеличен объем перекачки воды из Волги.
С распадом Советского Союза во всех областях хозяйства России наступил период
рецессии, который продолжается до настоящего времени. Заметно снизилась интенсивность
судоходства по каналу. Начиная с 1991 г. ежегодное количество сливаемых призм шлюзов
уменьшилось в среднем на 30–35%. Уменьшение затрат воды на обеспечение судоходства
происходило в течение всего навигационного периода, но наиболее значимым оно было в
апреле (на 78% ) и ноябре (на 44%). Это связано со смещение сроков начала и окончания
навигации в последнее время, соответственно, на более поздние и более ранние сроки.
До 1991 г. судоходство начиналось в конце марта либо в первой декаде апреля после ломки
льда с помощью ледокольного флота и заканчивалось во второй-третьей декаде ноября.
В 1992–1994 гг. начало навигации сместилось во вторую декаду, а в последующие
годы - в третью декаду апреля. Завершение навигации в эти годы происходило
преимущественно в первой декаде ноября.
Наиболее значимые изменения произошли после маловодного периода
1992-1996 года. В последующий за этим период средневодных лет среднегодовой расход
73
перекачки волжской воды снизился с 81 до 46–49 м3/с в 2010-2011 гг., т.е. более чем на 40%,
что невозможно объяснить повышением водности последних лет. Раньше отмечалась очень
тесная обратная связь объемов перекачки с объемами бокового притока воды в
водохранилища водораздельного бьефа, в какой–то мере отражающих водность года.
Коэффициент корреляции этих составляющих водного баланса за период 1984-1996 гг.
составил r = –0,9, тогда как за период 1997–2011 гг. эта связь полностью отсутствовала
(r = 0,0). С 1997 г. наблюдается снижение потребления воды на водоснабжение
(с 40 до 20 м3/с), обводнение рек (в среднем с 25–30 до 15–20 м3/с) и судоходство
(до 9-10 м3/с). В то же время возросли потери воды на фильтрацию и испарение – в среднем
с 3-5 до 7–8 м3/с.
Столь существенные изменения в структуре водного баланса водораздельного бьефа
привели к изменениям интенсивности водообмена в нем: средний годовой коэффициент
водообмена Кв уменьшился до 6,5 год–1 (на 25%).
Гидрологический режим водораздельного бьефа в течение года определяется особенностями
климатических сезонов, потребностями водоснабжения потребителей, обводнения рек и
судоходства. Для анализа влияния водности и «жаркости» года на гидрологический режим
водораздельного бьефа при современном состоянии его эксплуатации рассмотрим водный
баланс бьефа для 3-х ближайших к нашему времени лет: 2002 г. – аномально жаркий и
маловодный, 2005 г. – средний по жаркости и водности, 2009 г. – холодный и аномально
многоводный год. В таблице 21 приводится внутригодовое распределение составляющих
водного баланса бьефа в средний по гидрометеорологическим показателям 2005 г.
Таблица 21 – Внутригодовое распределение составляющих водного баланса W
водораздельного бьефа канала в средневодный 2005 г.
Месяцы года
W,
млн м3
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Wв
86,4
85,4
134,1
128,2
142,3
177,7
181,9
201,9
194,7
198,4
90,6
87,2
1708,8
Wб
36,1
12,8
11,2
80,3
20,6
30,3
12,9
6,8
5,4
9,3
8,0
6,7
240,4
∑Пр
122,5
98,2
145,3
208,5
162,9
208,0
194,8
208,7
200,1
207,7
98,6
93,9
1949,2
Wпв
75,8
72,0
78,8
78,0
75,9
71,8
70,3
72,7
73,3
77,3
73,9
77,0
896,8
Wр
34,6
34,0
49,4
17,6
16,3
31,5
33,1
44,5
44,2
51,4
21,5
59,3
437,4
Wс
0,9
0,9
0,9
8,9
53,3
57,4
62,4
61,5
58,5
54,3
17,8
0,9
377,7
∑Рх
111,3
106,9
129,1
104,5
145,5
160,7
165,8
178,7
176,0
183,0
113,2
137,2
1711,9
∆W
–14,3
–17,1
0,7
75,7
–2,0
4,1
1,0
1,0
–4,3
–1,9
–22,3
–43,1
–22,5
Wп
25,5
8,4
15,5
28,3
19,4
43,2
28,0
29,0
28,4
26,6
7,7
–0,2
259,8
Кв
0,27
0,24
0,36
0,38
0,33
0,43
0,41
0,45
0,43
0,45
0,21
0,25
4,73
Год
Анализ приведенных данных по средневодному году показывает, что все
составляющие водного баланса водораздельного бьефа подвержены сезонной изменчивости.
Наполнение водохранилищ после их зимней сработки началось в марте. Объем подачи воды
из Волги в этом месяце увеличился на 57% и составил 134,1 млн м3 в месяц. Основное
заполнение водохранилищ до отметок, близких к НПУ, произошло в апреле. В это время
приток воды с бокового водосбора был максимальным (39% от приходной части баланса),
перекачка воды из Иваньковского водохранилища в первой декаде апреля была увеличена
до 85 м3/с, а во второй и третьей декаде снижена до 32 м3/с. Около 36% поступившей в
74
апреле воды пошло на пополнение водных ресурсов водораздельного бьефа. С ростом
уровня и сходом льда резко возрастают потери воды на фильтрацию и испарение. С началом
навигации в структуре водного баланса существенное место начинают занимать затраты
воды на судоходство – до 55–60 млн м3 в месяц. Расход воды на обводнение рек весной
составлял 16–18 млн м3 в месяц.
В течение навигационного периода с мая по октябрь уровень воды в водораздельном
бьефе поддерживается близким к 162,0 м.абс для поддержания глубин, обеспечивающих
безопасный проход судов в судоходной части водораздельного бьефа. Перекачка волжской
воды в это время достаточно стабильна и составляет 70–75 м3/с. Приток с бокового
водосбора в месяцы с небольшим количеством осадков незначителен и не превышает 5–6%
приходной части баланса, в дождливые (июнь) достигает 15%. Увеличиваются затраты воды
на обводнение рек (до 40–50 млн м3/месяц) и судоходство (55–60 млн м3/месяц), и они
достаточно стабильны в течение всех этих месяцев. Обращает на себя внимание лишь
закономерное (оно наблюдается и во все другие годы) понижение потребления воды на
водоснабжение с 75,9 млн м3 в мае до 70,3 млн м3 в июле, а затем его рост до 77,3 млн м3
в октябре. Возможно, это связано со снижением потребления воды населением во время
летних отпусков и дачного сезона, и его возрастанием после возвращения людей в город и
начала учебного года.
В начале ноября начинается предзимняя сработка водохранилищ водораздельного
бьефа. Расходы перекачки воды из Волги снижаются до 35 м3/с (90,6 млн м3 в месяц).
В ноябре около 20% потребляемой воды компенсируется водными ресурсами
водораздельного бьефа. С понижением уровня воды в водохранилищах и наступлением
ледостава потери воды на фильтрацию и испарение снижаются до 2–3 м3/с против 10–11 м3/с
в летний период. С окончанием навигации резко сокращаются затраты воды в системе
шлюзов канала, что приводит практически к полному прекращению поступления воды в
р. Москву через шлюзы №7 и №8. В результате этого потребление воды на обводнение рек
октябре увеличилось до 51 млн м3, главным образом в результате ее пропуска в р. Москву
через Сходненскую ГЭС. Обычно к середине декабря предзимняя сработка бьефа
заканчивается, уровень воды в водохранилищах понижается до отметок минимального
(ремонтного) зимнего уровня, равного 160,5 м.абс. Зимой 2005–2006 г. сработка бьефа
продолжалась до конца января 2006 г. Потери воды на фильтрацию и испарение в декабре
сократились до минимума, расходы на обводнение рек возросли до 59 млн м3, потребление
воды на промышленное и питьевое водоснабжение достигает 77 млн м3.
В зимние месяцы гидрологический режим водохранилищ водораздельного бьефа
достаточно стабилен. Все составляющие водного баланса в январе–феврале в среднем
остаются практически неизменными при стабильном уровне воды. Перекачка воды из Волги
составляет 85–86 млн м3, приток с водосбора был повышенным из–за сильных зимних
оттепелей – до 36 млн м3 в январе, промышленное и питьевое водоснабжение – 72-76 млн м3,
обводнение рек – 34-35 млн м3.
Максимальная интенсивность водообмена в 2005 г. наблюдалась в июне–октябре и
составляла 0,41–0,45 месяц–1, минимальная – в ноябре при снижении перекачки и
использовании для водоснабжения собственных водных ресурсов бьефа.
Для сравнения внутригодового распределения составляющих водного баланса
аномальных лет со среднестатистическим годом в таблице 22 и таблице 23 приводится их
75
Таблица 22 – Внутригодовое распределение составляющих водного баланса водораздельного бьефа канала в маловодный 2002 г.
Хар–ка
Месяцы года
Год
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Wв
164,1
119,2
111,5
236,5
200,8
196,8
211,2
214,0
204,1
178,7
115,5
142,3
2094,7
∆отк
90
40
–17
84
41
11
16
6
5
–10
27
63
23
Wб
7,4
23,9
42,7
27,7
9,9
7,3
5,0
4,2
5,4
7,1
6,7
5,4
152,7
∆отк
–80
87
281
–66
–52
–76
–61
–38
0
–24
–16
–19
–36
∑Пр
171,5
143,1
154,2
264,2
210,7
204,1
216,2
218,2
209,5
185,8
122,2
147,7
2247,4
∆отк
40
46
6
27
29
–2
11
5
5
–11
24
57
15
Wпв
81,9
73,9
81,4
78,6
75,1
72,1
74,6
75,0
77,6
80,0
76,7
83,1
930,0
∆отк
8
3
3
1
–1
0
6
3
6
3
4
8
4
Wр
79,3
46,3
46,3
71,3
57,5
54,1
48,4
55,5
55,6
53,1
71,2
74,9
713,5
∆отк
129
36
–6
305
253
72
46
25
26
3
231
26
63
Wс
0,9
0,9
0,9
6,8
51,8
55,7
57,5
57,0
51,5
45,3
13,6
0,9
342,8
∆отк
0
0
0
–24
–3
–3
–8
–7
–12
–17
–24
0
–9
∑Рх
162,1
121,1
128,6
156,7
184,4
181,9
180,5
187,5
184,7
178,4
161,5
158,9
1986,3
∆отк
46
13
0
50
27
13
9
5
5
–3
43
16
16
∆W
–3,2
–1,0
–0,5
75,5
–2,4
0,9
5,5
–0,7
–0,4
–6,3
–50,8
–15,5
1,1
∆отк
–78
–94
–171
0
20
–78
450
–170
–91
232
128
–64
–105
Wп
12,6
23,0
26,1
32,0
28,7
21,3
30,2
31,4
25,2
13,7
11,5
4,3
260,0
∆отк
–51
173
69
13
48
–51
8
8
–11
–48
49
–2250
0
Кв
0,61
0,49
0,52
0,69
0,57
0,56
0,57
0,58
0,57
0,53
0,45
0,54
6,69
∆отк
129
106
46
81
72
32
38
30
31
17
118
113
59
76
Таблица 23 – Внутригодовое распределение составляющих водного баланса водораздельного бьефа канала в многоводный 2009 г.
Хар–ка
Месяцы года
Год
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Wв
164,1
119,2
111,5
236,5
200,8
196,8
211,2
214,0
204,1
178,7
115,5
142,3
2094,7
∆отк
90
40
–17
84
41
11
16
6
5
–10
27
63
23
Wб
7,4
23,9
42,7
27,7
9,9
7,3
5,0
4,2
5,4
7,1
6,7
5,4
152,7
∆отк
–80
87
281
–66
–52
–76
–61
–38
0
–24
–16
–19
–36
∑Пр
171,5
143,1
154,2
264,2
210,7
204,1
216,2
218,2
209,5
185,8
122,2
147,7
2247,4
∆отк
40
46
6
27
29
–2
11
5
5
–11
24
57
15
Wпв
81,9
73,9
81,4
78,6
75,1
72,1
74,6
75,0
77,6
80,0
76,7
83,1
930,0
∆отк
8
3
3
1
–1
0
6
3
6
3
4
8
4
Wр
79,3
46,3
46,3
71,3
57,5
54,1
48,4
55,5
55,6
53,1
71,2
74,9
713,5
∆отк
129
36
–6
305
253
72
46
25
26
3
231
26
63
Wс
0,9
0,9
0,9
6,8
51,8
55,7
57,5
57,0
51,5
45,3
13,6
0,9
342,8
∆отк
0
0
0
–24
–3
–3
–8
–7
–12
–17
–24
0
–9
∑Рх
162,1
121,1
128,6
156,7
184,4
181,9
180,5
187,5
184,7
178,4
161,5
158,9
1986,3
∆отк
46
13
0
50
27
13
9
5
5
–3
43
16
16
∆W
–3,2
–1,0
–0,5
75,5
–2,4
0,9
5,5
–0,7
–0,4
–6,3
–50,8
–15,5
1,1
∆отк
–78
–94
–171
0
20
–78
450
–170
–91
232
128
–64
–105
Wп
12,6
23,0
26,1
32,0
28,7
21,3
30,2
31,4
25,2
13,7
11,5
4,3
260,0
∆отк
–51
173
69
13
48
–51
8
8
–11
–48
49
–2250
0
Кв
0,61
0,49
0,52
0,69
0,57
0,56
0,57
0,58
0,57
0,53
0,45
0,54
6,69
∆отк
129
106
46
81
72
32
38
30
31
17
118
113
59
77
месячные значения (W, млн м3) в 2002 и 2009 гг. и отклонения (∆отк, %) от соответствующих
показателей 2005 года. Для большей наглядности значения рассчитанных отклонений
представлены на рисунках 30 – 34.
Рисунок 30 – отклонения месячных объемов перекачки воды из Волги в аномальные по
водности годы от средневодного 2005 г.
Рисунок 31 – отклонения месячных объемов бокового притока в аномальные по
водности годы от средневодного 2005 г.
78
Рисунок 32 – отклонения месячных объемов промышленного и питьевого потребления
воды в аномальные по водности годы от средневодного 2005 г.
Рисунок 33 – отклонения месячных объемов затрат воды на обводнение рек г. Москвы
в аномальные по водности годы от средневодного 2005 г.
79
Рисунок 34 – отклонения месячных значений интенсивности водообмена
водораздельного бьефа в аномальные по водности годы от средневодного 2005 г.
Анализ приведенных выше таблиц и рисунков показывает, что основное отличие
маловодного года от многоводного – увеличение объемов перекачки волжской воды,
сокращение притока воды с водосбора и увеличение ее затрат на водоснабжение и
обводнение рек, повышение интенсивности водообмена. В связи с этим в 2002 г. в
приходной части водного баланса доля волжских вод была на 10% больше, чем в 2009 г.
Повышение расходов перекачки началось сразу после окончания весеннего заполнения
водохранилищ. Далее в течение всего вегетационного периода (с мая по октябрь)
среднемесячные расходы перекачки в среднем на 46% превышали аналогичные расходы
2009 г. В результате в этот период доля притока воды с водосбора в структуре водного
баланса в 2002 г. была на 60% меньше, чем в многоводном году, а интенсивность
водообмена – на 35% больше.
До 1995 г. потребление воды на промышленное и питьевое водоснабжение в
маловодные годы обычно немного увеличивалось (на 1–2%). В последующие годы
независимо от водности года наблюдается постоянное снижение водопотребления.
С 1997 по 2002 гг. интенсивность уменьшения потребления воды на водоснабжение
составляла более 50 млн м3 в год. Оно продолжается и в настоящее время, но уже с
интенсивностью 30–40 млн м3 в год. Поэтому трудно сказать, чем определялись более
высокие значения водопотребления в 2002 г и более низкие в 2009 г по сравнению
с 2005 г. - водностью этих лет или наблюдающейся сейчас тенденцией к снижению
потребления воды мегаполисом. На характер внутригодового распределения питьевого и
промышленного водозабора водность года практически не оказывает никакого влияния.
Более тесно связано с водностью года потребление воды на обводнение рек. В 2002 г.
оно было почти в 2 раза больше чем в 2009 г. Наибольшее увеличение потребления воды
приходится на маловодные месяцы года. Соответственно, в эти месяцы в структуре
расходной части водного баланса существенно возрастает и доля потребления воды на
обводнение рек.
80
В обычные годы водохранилища водораздельного бьефа срабатываются осенью на
1,5 м еще до установления ледостава, и далее в течение всей зимы до начала половодья
уровень воды в них поддерживается на отметках, близких к 160,5 м.абс (минимальный
зимний ремонтный уровень). В 1998 г. в ожидании большого весеннего половодья в марте
месяце проводилась дополнительная предполоводная сработка водохранилищ до уровня
160,39 м, которая обеспечила 5% приходной части баланса. Предзимняя сработка
водохранилищ происходит преимущественно с конца октября до середины декабря.
В ноябре ее доля в приходной части баланса может доходить до 25–35%.
Гидрологический режим водохранилищ бьефа. Водораздельный бьеф, рассмотренный
выше как единое целое, состоит из пяти судоходных водохранилищ, соединенных между
собой каналами, и одного отстойного водохранилища [33]. С точки зрения эвтрофирования
водохранилищ, развития в них фитопланктона, оценки качества воды и ее трансформации в
пределах водораздельного бьефа представляет интерес рассмотреть гидрологический режим
каждого из водохранилищ в отдельности. Данные о водном балансе водораздельного бьефа
позволяют сделать это с определенными допущениями.
Первым в цепочке водохранилищ водораздельного бьефа стоит Икшинское
водохранилище. Уравнение его водного баланса имеет следующий вид (12):
WВ + WБИк – WШ6 – WПИк – WК289 = ΔWИк
(12)
где WВ – объем перекачки волжской воды с северного склона; WБИк – приток воды с
примыкающего к водохранилищу водосборного бассейна; WШ6 – сброс воды во время
пропуска судов через шлюз №6; WПИк – потери воды на фильтрацию и испарение;
WК289 - переток воды по каналу №289 в Пестовское водохранилище; ΔWИк – аккумуляция
воды в Икшинском водохранилище за рассматриваемый промежуток времени.
Следующим в системе канала расположено Пестовское водохранилище. Уравнение
его водного баланса имеет следующий вид (13):
WК289 + WБПе – WПе–Ак – WППе – WК290 = ΔWПе
(13)
где WБПе – приток воды с водосборного бассейна водохранилища; WПе–Ак – поступление
воды из Пестовского в Учинское (Акуловское) водохранилище; WППе – потери на
фильтрацию и испарение; WК290 – переток воды по каналу №290 в Пяловское
водохранилище; ΔWПе – аккумуляция воды в Пестовском водохранилище.
Учинское водохранилище, расположенное между Пестовской, Пяловской и
Акуловской плотинами, является отстойным водоемом и используется только для целей
водоснабжения. Его водный баланс определяется уравнением (14):
WПе–Ак + WБАк – WПАк – WУч – WКор – WВВС – 0,75WСВС = ΔWАк
(14)
где WБАк – приток воды с водосборного бассейна; WПАк – потери на фильтрацию и
испарение; WУч – сброс воды в нижний бьеф Акуловского гидроузла для обводнения р. Учи;
WКор – водозабор г. Королева; WВВС – водозабор Восточной водопроводной станции;
81
0,75WСВС – водозабор Северной водопроводной станции из Учинского водохранилища;
ΔWАк – аккумуляция воды в водохранилище.
Далее по каналу расположено Пяловское водохранилище, уравнение водного баланса
которого имеет следующий вид (15):
WК290 + WБПя – WППя – WК291 = ΔWПя
(15)
где WБПя – приток воды с водосборного бассейна; WППя – потери на фильтрацию и
испарение; WК291 – переток воды по каналу №291 в Клязьминское водохранилище;
ΔWПя - аккумуляция воды.
Клязьминское водохранилище – это второе водохранилище системы водораздельного
бьефа, которое используется для целей промышленного и питьевого водоснабжения. Его
уравнение водного баланса имеет следующий вид (16):
WК291 + WБКл – WПКл – WКл – WЧПЗ – 0,25WСВС – WК292 = ΔWКл
(16)
где WБКл – приток воды с водосборного бассейна; WПКл – потери на фильтрацию и
испарение; WКл – сброс воды в нижний бьеф Пироговского гидроузла для обводнения
р. Клязьмы;
WЧПЗ – потребление
воды
Черкизовской
промышленной
зоной;
0,25WСВС - водозабор Северной водопроводной станции из Клязьминского водохранилища;
WК292 - переток воды по каналу №292 в Химкинское водохранилище; ΔWКл – аккумуляция
воды.
Замыкает
систему
водохранилищ
водораздельного
бьефа
Химкинское
водохранилище, водный баланс которого определяется уравнением (17):
WК292 + WБХи – WПХи – WГЭС – WШ7 – WЯ – WТЭЦ – WТРГС = ΔWХи
(17)
где WБХи – приток воды с водосборного бассейна; WПХи – потери на фильтрацию и
испарение; WГЭС – сброс воды через Сходненскую ГЭС в бассейн р. Москвы; WШ7 – отток
воды через шлюз №7 в р. Москву; WЯ – забор воды из водохранилища для обводнения
р. Яузы; WТЭЦ – потребление воды ТЭЦ21; WТРГС – потребление воды Тушинской РГС;
ΔWХи – аккумуляция воды в Химкинском водохранилище.
Совместное решение приведенных выше уравнений водного баланса позволяет
проследить трансформацию расходов перекачки волжской воды по системе водохранилищ и
соединительных каналов водораздельного бьефа. В переданных нам отделом
гидросооружений ФГУП канала им. Москвы водных балансах нет данных о притоке воды с
водосбора и потерях воды на фильтрацию и испарение для каждого из водохранилищ в
отдельности. Даются лишь их значения для всего водораздельного бьефа в целом. Поэтому
величина притока воды с водосбора к каждому водохранилищу была принята по среднему
модулю стока со всего водосборного бассейна бьефа, т.е. пропорционально площади
водосбора каждого из водохранилищ. Потери воды из водохранилищ определяются в
основном испарением, поэтому их значения для каждого водоема принимались
пропорционально площади их водной поверхности. В таблице 24 приведены
82
использовавшиеся в расчетах значения площадей водохранилищ и их водосборных
бассейнов, взятые из [13].
Таблица 24 – Площади
водосбора
и
водной
поверхности
водохранилищ
водораздельного бьефа
Площадь водной
Водохранилище
Площадь водосбора, км2
поверхности при НПУ, км2
Икшинское
52
4,86
Учинское
42
19,34
Пестовское
180
11,60
Пяловское
188
6,30
Клязьминское
470
15,16
Химкинское
50
3,48
Водораздельный бьеф
982
60,74
Анализ водного баланса водохранилищ водораздельного бьефа начнем по порядку их
следования в системе канала. Общие тенденции изменения водного баланса и
гидрологического режима всего водораздельного бьефа в последние годы,
проанализированные выше, в такой же мере свойственны и всем его составным частям.
Поэтому в данном разделе мы на них останавливаться не будем. Приведем лишь таблицу
водного баланса всех водохранилищ бьефа за характерные периоды и экстремальные по
водности годы последних лет, наиболее сильно отличающиеся друг от друга (таблица 25),
и рассмотрим отличительные черты режима каждого водоема и трансформацию расходов
волжской воды по мере ее продвижения по водораздельному бьефу.
Как уже отмечалось выше, по водности весь рассматриваемый период
экономического спада страны (этот фактор важен для гидрологического режима
водохранилищ, поскольку вся работа системы водоснабжения г. Москвы непосредственно
связана с промышленными и водохозяйственными потребностями мегаполиса в водных
ресурсах) с 1984 по 2011 гг. можно разбить на три периода: 1984–1991 гг. – в целом
средневодный период в условиях начала рецессии экономики города, 1992–1997 – серия
маловодных лет и начало устойчивого потепления климата в Московском регионе;
1998-2011 гг. – в целом многоводный период при общем потеплении климата и
продолжающемся спаде промышленного потребления воды.
Таблица 25 – Водный баланс водохранилищ водораздельного бьефа канала им. Москвы
Период
Период
Период
Многоводный Маловодный
Статьи
1984–1991гг. 1992–1997 гг. 1998–2011 гг.
2009 г.
2002 г.
баланса
м3/с
%
м3/с
%
м3/с
%
м3/с
%
м3/с
%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Икшинское водохранилище
WВ
75,5
78,0
57,7
44,3
66,4
99
99
99,3
98,9
100
WБИк
0,5
0,4
0,4
0,5
0,3
1
1
1
1
0
Σ прихода 76,0
78,4
58,1
44,8
66,7
100
100
100
100
100
W289
68,6
73,1
52,6
39,5
61,3
90
93
91
88
92
W6
7,0
5,1
4,9
4,6
4,8
9
6
8
10
7
WПИк
0,3
0,3
0,6
0,7
0,7
0
0
1
2
1
Σ расхода 76,0
78,4
58,1
44,8
66,7
100
100
100
100
100
Кв
197
208
149
113
174
WВолга, %
99
99
99
99
100
83
Продолжение таблицы 25
1
2
3
WК289
WБПе
Σ прихода
WПе–Ак
WК290
WППе
Σ расхода
Кв
WВолга, %
68,6
1,9
70,5
35,2
34,5
0,8
70,5
WПе–Ак
WБАк
Σ прихода
WПАк
WУч
WВВС
WКор
WСВС
Σ расхода
Кв
WВолга, %
35,2
0,4
35,6
1,3
1,1
17,2
0,8
15,2
35,6
WК290
WБПя
Σ прихода
WК291
WППя
Σ расхода
Кв
WВолга, %
34,5
1,8
36,3
35,8
0,4
36,3
WК291
WБКл
Σ прихода
WПКл
WКл
WЧПЗ
WСВС
WК292
Σ расхода
Кв
WВолга, %
35,8
4,7
40,5
1,0
4,0
0,9
5,1
29,6
40,5
WК292
WБХи
29,6
0,5
97
3
100
50
49
1
100
46,0
97
99
1
100
4
3
48
2
43
100
8,3
96
95
5
100
99
1
100
76,0
92
88
12
100
3
10
2
12
73
100
19,2
81
98
2
4
5
6
7
8
9
Пестовское водохранилище
73,1
52,6
39,5
98
97
96
1,5
1,4
1,8
2
3
4
74,6
54,0
41,3
100
100
100
35,2
25,9
22,3
47
48
54
38,8
26,7
17,4
52
49
42
0,6
1,5
1,6
1
3
4
74,6
54,0
41,3
100
100
100
49,3
35,0
26,0
98
97
95
Учинское водохранилище
35,2
22,3
99
25,9
99
98
0,3
0,4
1
0,3
1
2
35,5
22,7
100
26,2
100
100
1,0
2,7
3
2,4
9
12
1,1
1,0
3
1,0
4
5
16,8
8,8
47
11,1
42
39
0,9
0,9
3
1,0
4
4
15,6
9,2
44
10,6
40
41
35,5
26,2
22,7
100
100
100
8,5
4,9
4,1
97
96
93
Пяловское водохранилище
38,8
26,7
17,4
96
95
91
1,4
1,4
1,7
4
5
9
40,2
28,0
19,1
100
100
100
39,8
27,2
18,2
99
97
95
0,3
0,8
0,9
1
3
5
40,2
28,0
19,1
100
100
100
85,8
58,0
38,5
94
92
86
Клязьминское водохранилище
39,8
27,2
18,2
91
88
80
3,7
3,6
4,4
9
12
20
43,6
30,8
22,7
100
100
100
0,8
1,9
2,1
2
6
9
3,6
1,2
1,0
8
4
5
1,0
0,9
1,0
2
3
5
5,2
3,5
3,1
12
11
14
33,0
23,2
15,4
76
75
68
43,6
30,8
22,7
100
100
100
20,7
16,0
10,7
85
81
69
Химкинское водохранилище
33,0
23,2
15,4
99
98
97
0,4
0,4
0,5
1
2
3
84
10
11
61,3
0,9
62,2
27,6
33,0
1,6
62,2
99
1
100
44
53
3
100
40,8
98
27,6
0,2
27,8
2,6
1,0
12,3
1,1
10,7
27,8
99
1
100
9
4
44
4
38
100
6,6
97
33,0
0,9
33,9
33,0
0,9
33,9
97
3
100
97
3
100
70,7
96
33,0
2,3
35,3
2,1
1,0
0,9
3,6
27,8
35,3
93
7
100
6
3
2
10
79
100
16,3
89
27,8
0,2
99
1
Продолжение таблицы 25
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Σ прихода 30,1
33,4
23,6
15,9
28,0
100
100
100
100
100
WПХи
0,2
0,2
0,4
0,5
0,5
1
1
2
3
2
WГЭС
14,2
20,9
15,1
9,1
19,9
47
63
64
57
71
WШ7
9,0
6,6
6,0
5,0
6,1
30
20
25
31
22
WЯ
4,9
4,1
1,1
0,6
0,7
16
12
5
4
2
WТЭЦ
1,6
1,6
1,0
0,7
0,9
5
5
4
4
3
WТРГС
0,2
0,0
0
0,0
0,0
1
0
0
0
0
Σ расхода 30,1
33,3
23,6
15,9
28,0
100
100
100
100
100
Кв
34,6
38,6
30,3
17,8
32,2
WВолга, %
80
84
80
67
89
Примечание – WВолга – процент волжской воды в водной массе водохранилища.
Из данных таблицы 25 следует, что Икшинское водохранилище – это исключительно
проточный водоем. Его годовой коэффициентом водообмена Кв изменялся за период
времени с 1984 по 2011 гг. в пределах 113–227 год–1, т.е. время смены воды в нем (величина,
обратная значению Кв) составляет всего 1,6–3,2 суток. В связи с такой высокой
сменяемостью вод качественные характеристики водных масс водохранилища практически
полностью определяются их значениями в поступающей по каналу волжской воде.
Приходная часть его баланса более чем на 99% определяется перекачкой воды с северного
склона канала и менее 1% – притоком воды с водосбора. Если принять гипотезу о полном и
мгновенном смешении волжской воды и притока с водосборного бассейна водохранилища,
то можно предположить, что в таком же соотношении она поступает по каналу №289
в Пестовское водохранилище.
Из Пестовского водохранилища вода распределяется по двум основным
направлениям: в Учинское водохранилище и по каналу №290 в Пяловское водохранилище.
Эти два потока в среднем примерно равны друг другу и дают 97–99% расходной части
баланса водохранилища. В маловодный год доля воды, поступающей по каналу в Пяловское
водохранилище, увеличивается до 53%, так как в такие периоды возрастают потребности
воды на обводнение рек. Проточность Пестовского водохранилища значительно ниже, чем
Икшинского, и изменяется в пределах Кв = 26–54 год–1. С 2005 г. значения Кв ни разу не
превышали 35 год–1. Соответственно, время смены воды в нем составляет 7–14 суток.
В Учинское и Пяловское водохранилища поступает вода, состоящая уже на 3% из воды
притока с водосбора водораздельного бьефа и на 97% из волжской воды (WВолга, %).
В многоводные годы доля воды притока с водосбора увеличивается до 4%, а в маловодные
понижается до 2%. Гидродинамика основной части Пестовского водохранилища
определяется транзитным потоком перекачки воды по каналу. Исключение составляет
глубоко вдающийся в сушу Тишковский залив, образовавшийся в устьях притоков
водохранилища р. Какотка и р. Вязь. Этот залив отделен от основной части водохранилища
узким проливом, гидродинамически слабо с ней связан и существенно отличается по
условиям развития фитопланктона.
Из Учинского водохранилища осуществляется основной водозабор на промышленное
и питьевое водоснабжение г. Москвы и пригородов. Состав его воды на 99% состоит из
водных масс, поступающих из Пестовского водохранилища и на 1% из воды собственного
85
бокового водосбора. В расходной части баланса в последние годы 40–44% воды поступает в
водозабор Восточной водопроводной станции, 38–40% – в водозаборы Северной
водопроводной станции, 4% воды потребляет г. Королев, около 4 % идет на обводнение
р. Учи и около 9% приходится на естественные потери и погрешность расчета водного
баланса. Водность года практически никак не сказывается на работе водозаборных
сооружений, если не считать некоторого повышения содержания в них волжской воды
с 95% в многоводный до 97% в маловодный год и, соответственно, снижения доли воды
с бассейна водосбора канала с 5 до 3%. Водообмен этого отстойного водохранилища
наименьший из всех водоемов канала и изменяется в диапазоне годового Кв = 4–7 год–1, что
соответствует времени смены воды в нем 52–91 суток.
Пяловское водохранилище по структуре водного баланса самое простое во всей
системе водораздельного бьефа. От 94 до 97% воды поступает в него из Пестовского
водохранилища по каналу №290 и, соответственно, 3–6% с бассейна водосбора. Расходная
часть баланса состоит из оттока в канал №291 (более 97%) и потерь на испарение и
фильтрацию (в настоящее время около 3%). По своей сути это просто транзитный водоем в
составе канала им. Москвы, имеющий возможность в случае необходимости проводить
эксплуатационные попуски в Учинское водохранилище вместо Пестовского водосброса [14].
Интенсивность его годового водообмена высокая и составляет Кв = 39–99 год–1, что
соответствует времени смены воды в нем за 4–9 суток. Доля волжской воды в водной массе
этого водохранилища в среднем составляет около 92%, снижаясь в многоводные годы
до 86% и повышаясь в маловодные годы до 96%. В отношении гидродинамики этот водоем
не так прост, как по структуре водного баланса. Канал пересекает его в средней части, деля
на две обособленные части, каждая со своей системой течений. Информация
о гидрологических особенностях режима этих частей отсутствует.
Из Пяловского водохранилища вода по каналу №291 поступает в Клязьминское
водохранилище. Это самый большой по площади водосборного бассейна и второй по
величине запасов воды после Учинского водохранилища водоем водораздельного бьефа.
Эти запасы в среднем на 88% формируются из воды, поступающей по каналу №291
и на 12% из притока с водосбора. В многоводные годы доля бокового притока в этом
водохранилище увеличивается до 20%, а в маловодные снижается до 7%. От 70 до 80%
запасов воды проходит Клязьминское водохранилище транзитом в канал №292 и далее
в Химкинское водохранилище. В зависимости от водности года 3–5% воды тратится на
обводнение р. Клязьмы, от 10 до 14% потребляет Северная водопроводная станция и
около 3%
Черкизовская
промзона.
Коэффициент
водообмена
водохранилища
-1
Кв = 11-23 год , длительность смены воды – 16–33 суток. Соотношение волжских вод и
притока с водосбора в Клязьминском водохранилище в маловодный год составляет 89:11,
а в многоводный год 69:31. В среднем, доля водных масс, поступающих с водосборного
бассейна канала, составляет в воде водохранилища 19%.
В гидродинамическом отношении Клязьминское водохранилище делится на две
части, различные по интенсивности динамических процессов. Волжская вода подается по
каналу № 291 расходом 20–40 м3/с в среднюю часть водохранилища, а забирается в канал
№292 расходом 15–35 м3/с из его верхней части, куда дополнительно поступает еще и сток
р. Клязьмы средним расходом 2–4 м3/с. В результате в этой части водохранилища постоянно
существует транзитная зона стокового течения со скоростями 2–4 см/с, свойственная сильно
86
проточным водохранилищам. В нижней части Клязьминского водохранилища,
соединяющейся
с
этой
зоной
узким
проливом
и
даже
называющейся
по-другому - Пироговское водохранилище, формируется характерная для водохранилищ
замедленного водообмена сложная система течений, чаще всего обособленных пределами
отдельных плесов, со скоростями не более 1–2 см/с. Именно из этой части водохранилища
производится забор воды для водоснабжения общим расходом 4–6 м3/с. Эту особенность
гидродинамики Клязьминского водохранилища хорошо иллюстрируют представленные на
рисунке 35 результаты расчетов по математической модели водохранилища, построенной на
основе специализированного гидрологического программного пакета SMS v.10.1
(Surface-water Modeling System) американской компании AQUAVEO LLC [34].
Рисунок 35 – Векторное поле скоростей в Клязьминском водохранилище при средне
летних гидрологических характеристиках за 2011 год (по [34])
Водные ресурсы замыкающего водораздельный бьеф Химкинского водохранилища
на 98–99% состоят из притока воды по каналу №292 и на 1–2% из притока с водосбора. Эта
вода расходуется в основном на обводнение р.Москвы: в среднем 65% направляется в
р. Москву через Сходненскую ГЭС и 24% через шлюз №7. Оставшуюся часть расходной
части баланса составляет забор воды в Лихоборский канал на обводнение р. Яуза (5%),
потребление воды ТЭЦ–21 и Тушинской РГС (4%) и естественные потери (2%).
Коэффициент
водообмена
водохранилища
Кв = 23–44,
длительность
смены
воды - 8-16 суток. Поскольку вода по каналу поступает в верхнюю часть водоема,
а забирается в его нижней части, то для Химкинского водохранилища характерна транзитная
система течений, свойственная сильно проточным водоемам. На выходе из водохранилища
вода на 81% состоит из волжской воды и на 19% из водных масс притока с водосбора
водораздельного бьефа. В многоводный год это соотношение составляет 75:25,
а в маловодный год 88:12.
87
Выводы раздела
- В последнее 20-тилетие в верховьях бассейна р. Москвы увеличилась климатически
обусловленная изменчивость водного стока (годового, и особенно внутригодового) из–за
увеличения водности преимущественно осенних паводков. Тем не менее, основным
фактором в дестабилизации уровенного режима водохранилищ служит не водный сток
питающих водохранилища рек, а режим сработки полезного объема в предшествующий
водохозяйственный год.
- С начала устойчивого потепления климата в конце 80-х – начале 90-х годов в
формировании водных масс водохранилища уменьшается вклад талых вод половодья (с 70
до 42%) и увеличивается вклад летних, осенних и зимних паводков (с 17 до 42%).). Это
вызывают рост нестабильности функционирования экосистем москворецких водохранилищ,
которое проявляется в усилении пространственной неоднородности состава воды в
водохранилищах, в увеличении асинхронности развития в них процессов внутриводоемной
трансформации химических и биологических компонент водных экосистем, что увеличивает
непредсказуемость их дальнейшего развития.
- Во всех москворецких водохранилищах длительность водохозяйственного года
сильно варьирует. Если не рассматривать Рузское водохранилище, режим наполнения и
сработки которого во многом определяется его расположением на трассе переброски стока
из ВГТС, то различия в датах начала весеннего наполнения остальных водохранилищ могут
достигать 56 суток при среднем значении 18 суток.
- Принципиально важное для развития фитопланктона сочетание интенсивности
внешней и внутренней биогенной нагрузки определяется процессами формирования
гидрологической структуры и особенностями внутренней динамики вод в водохранилищах.
- Факторы предвесенней сработки водохранилищ и объемы весеннего половодья
закладывают базовую основу для развития продукционно-деструкционных процессов в
вегетационный период. При общих закономерностях формирования летней структуры вод в
водохранилищах, каждое из них обладает индивидуальными особенностями, которые
обеспечивают различия в объемах, времени образования, расположения и длительности
существования летних водных масс и, тем самым, приводят к отмечающемуся разнообразию
развития фитопланктона в разных водохранилищах системы.
- Морфометрические особенности водохранилищ, условия формирования в них
пространственной структуры ветровых течений способствуют формированию большой
неоднородности состава воды, перераспределения питательных веществ и развития
фитопланктона. Поля дрейфовых течений в водохранилищах ограничены в основном
пределами морфологически обособленных плесов, зоны их распространения обусловлены
рельефом дна, что имеет важное экологическое значение для интенсификации
продукционно-деструкционных и других процессов самоочищения и формирования
биопродуктивности экосистем в слабопроточных водохранилищах.
- Значимой связи между «жаркостью» вегетационного сезона и водностью года или
его отдельных периодов не обнаружено. Из 13 жарких лет анализируемого периода времени
только 3 было маловодных, 1 многоводный, остальные – средние по водности.
88
- С 1984 года в режиме работы канала им. Москвы четко прослеживаются три
периода, связанные как гидрометеорологической ситуацией в бассейне Верхней Волги, так и
с антропогенным фактором:
1) 1984–1991 гг. – период с преобладанием многоводных лет и стабильной
работой канала;
2) 1992–1997 гг. – с преобладанием маловодных лет, увеличением перекачки,
водопотребления и резким снижением интенсивности судоходства;
3) 1998–2004 гг. – с преобладанием средних по водности лет, резким
снижением перекачки и потребления воды по всем расходным статьям при
незначительном повышении интенсивности судоходства и существенным
увеличением потерь воды на фильтрацию и испарение.
- Водные ресурсы водохранилищ водораздельного бьефа на 90% формируются из
волжской воды и расходуются в последние годы в следующем соотношении: 44% на
водоснабжение г. Москвы, 29% на санитарное обводнение рек, 15% на судоходство (шлюзы
№6 и №7), 11% на естественные потери.
- Гидрологическая водность года в определенной мере сказывается на
гидрологическом режиме водораздельного бьефа канала при неизменных правилах его
эксплуатации. В маловодные годы увеличивается перекачка волжской воды и затраты на
обводнение рек, возрастает водообмен водоемов. В многоводные годы объемы перекачки
снижаются, в структуре водного баланса возрастает доля притока воды с бокового
водосбора. В последние годы это увеличение регулярно наблюдается независимо от
водности года в периоды весеннего половодья, летних и осенних паводков.
- За последние 7 лет произошли наиболее существенные изменения гидрологического
режима водораздельного бьефа, связанные в большей степени не с гидрологическими
факторами, а с изменением интенсивности эксплуатации его водных ресурсов. За это время
потребления воды на водоснабжение снизилось на 24%, обводнение рек – на 30%,
судоходство – на 6% (а по сравнению с 90–ми годами – на 30%), перекачка волжской воды –
на 18%, внешний водообмен – на 17%, а потери на испарение и фильтрацию возросли более
чем в 1,5 раза. Столь неоправданно высокий рост холостых потерь в последние годы по
результатам расчета водного баланса требует более тщательного исследования с
привлечением большей информации, как по методике расчета его составляющих, так и по
точности их учета в пунктах подачи и забора воды.
- Интенсивность водообмена водоемов водораздельного бьефа очень высока
(за исключением отстойного Учинского водохранилища). По мере продвижения волжской
воды по водораздельному бьефу происходит ее полное смешение с водным притоком с
водосбора его водохранилищ. В результате на выходе из бьефа доля волжских вод
составляет 75–85%, в водозаборы Учинского водохранилища попадает 96%, а Клязьминского
водохранилища – 76–89% волжской воды.
89
2 Анализ многолетних данных по гидротермическому и
гидрохимическому
режиму
водохранилищ
источников
водоснабжения г. Москвы
2.1 Гидротермический режим водохранилищ
2.1.1 Общая характеристика термического режима
Тeрмичeский рeжим водоeмов опрeдeляeтся климатом тeрриториии интeнсивностью
их водообмeна.Общиe чeрты тeрмичeского рeжима водохранилищ водоснабжeния г. Москвы
одинаковы в силу близкого расположeния в одинаковых климатичeских и синоптичeских
условиях, а различия связаны с динамикой водных масс (ВМ), которая зависит от водного
рeдима и морфомeтричeских особeнностeй. Водохранилища москворeцкого водоисточника
долинного типа, срeднeго размeра, многолeтнeго рeгулирования стока (Кв от 0,97 до 1,26).
При анализе термического состояния экосистемы водоема необходимо учитывать, что
изменчивость этого состояния есть одновременно и следствие и причина (фактор) внешнего
и внутреннего теплообмена, динамических и биологических процессов. По своей
продолжительности термодинамические циклы водной экосистемы делят на:
а) долгопериодные
1) многолетние колебания, обусловленные климатическими изменениями
погоды;
2) внутригодовые изменения, обусловленные и внутригодовым циклом
солнечной радиации, и сезонными изменениями погоды;
б) короткопериодные
1) синоптические колебания, обусловленные изменениями погоды;
2) внутрисуточные изменения, обусловленные внутрисуточным циклом
солнечной радиации.
Наибольшее влияние смены погодных условий на температуру воды в водоеме
проявляется в период открытой воды. Гидрологически значимым синоптическим циклом
колебания температуры или синоптическим температурным циклом (СТЦ) считается такой
цикл, в котором на водомерном посту наблюдается повышение температуры поверхностного
слоя водоема (То) не менее, чем на 3С, за время не более декады, но не менее 3-х дней,
сменяющееся охлаждением поверхности воды, продолжительностью несколько дней, но не
более декады [15]. Если повышение составляет менее 3 С и длиться менее 3-х дней, то оно
может быть связано со сгонно-нагонными явлениями. Эти два условия соответствуют
синоптическим циклам, когда повышение температуры поверхности воды связано со сменой
погоды, а не является следствием а) постепенного весеннего нагревания при интенсивной
ранневесенней конвекции, б) ветро-волнового перемешивания или в) сгонно-нагонных
явлений в последующий период весенне-летнего нагревания, когда пространственная
неоднородность То в пределах отдельных плесов может составлять 1–2 С.
2.1.2 Многолетние колебания термического режима
Чтобы проанализировать многолетний термический режим водохранилищ,
необходимо иметь достаточно длительные ряды натурных наблюдений. Наиболее детальные
данные имеются по Можайскому водохранилищу, где лабораторией по изучению
водохранилищ МГУ с 1971 г. проводятся регулярные наблюдения на водомерном посту и
90
рейдовой вертикали Красновидовского плеса, расположенного в средней части водоема. Они
и были использованы для анализа изменчивости ледово-термического режима москворецких
водохранилищ, поскольку ранее было установлено, что в многолетнем плане его
характеристики могут быть оценены по данным наблюдений на одном из них [35].
В качестве характерных температур взяты 0,2; 4; 10 °C и максимальная за сезон
температура воды. Первая из них примерно соответствует моментам замерзания и вскрытия
водоема, вторая – весенней и осенней гомотермии, третья обычно совпадает с началом
формирования слоя температурного скачка и моментом его полного разрушения в наиболее
глубоководных районах водохранилищ.
Анализ дат перехода температуры водной поверхности через эти характерные
значения в течение вегетационного сезона (таблица 26) показывает, что весной наблюдалось
их смещение на более ранние сроки по сравнению с 70-ми годами: сход льда в среднем на
2 суток (по данным до 2000 г.), переход 4 °C на 11 суток, а 10 °C на 14 суток раньше. После
схода льда весенняя гомотермия в водохранилище устанавливается в среднем через
нeсколько суток, и только через 18 суток после этого начинается формирование слоя
температурного скачка.
Наблюдается рост среднего значения максимальной температуры воды с 25,4 °C
в 70-х годах до 26,7 °C в 2000-х, средняя дата наступления температурного максимума
сместилась за это время со второй декады июля в пeрвую дeкаду августа. Разброс дат
наступления максимума температуры водной поверхности в водохранилище очень
велик - 104 суток. На рисунке 36 четко прослеживается 8–10-летняя периодичность пиков
максимальной температуры в течение рассматриваемого периода времени. Пики
температурных максимумов в Можайском водохранилище наблюдались в 1972, 1981, 1989,
2001 и 2010 годах.
Таблица 26 – Даты перехода характерных значений температуры воды
Период
Параметр
0,2°C
Очищение от льда
Переход через 4°C (весна)
Переход через 10°C
(весна)
Максимальная
температура, °C
Дата максимальной
температуры
Переход через 10°C
(осень)
Переход через 4°C
(осень)
0,2°C
Ледостав
Толщина
льда, см
1971-1980 гг
Среднее/
диапазон
25.IV
7.IV – 3.V
27.IV
9.IV – 3.V
17.V
1.V – 29.V
25,4
23,7 – 27,2
16.VII
10.VI – 8.VIII
3.X
18.IX – 21.X
30.X
20.X – 21.XI
26.XI
13.XI – 9.XII
64
44 – 87
1981-1990 гг
Среднее/
диапазон
21.IV
1.IV – 30.IV
1991-2000 гг
Среднее/
диапазон
23.IV
17.IV – 30.IV
2001-2010 гг
Среднее/
диапазон
нб
26.IV
24.IV
16.IV
9.IV – 3.V
19.IV – 29.IV
01.IV – 04.IV
13.V
13.V
03.V
26.IV – 1.VI
5.V – 21.V
24.IV – 15.V
25,7
25,9
26,7
24,3 – 28,1
23,7 – 27,6
25,0 – 30,2
17.VII
8.VII
6.VII
13.VI – 19.VIII 15.VI – 21.VIII 13.VII – 23.VIII
8.X
10.X
14.X
27.IX – 16.X
26.IX – 22.X
03.X – 19.X
7.XI
5.XI
9.XI
30.X – 14.XI
24.X – 26.XI
26.X – 24.XI
25.XI
23.XI
03.XII
12.XI – 9.XII 10.XI – 19.XII 16.XI – 15.XII
54
52
52
42 – 68
42 – 67
42 – 61
91
1971-2010 гг
Среднее/
диапазон
23.IV
1.IV – 3.V
(за 1971-2000)
24.IV
01.IV – 03.V
12.V
23.IV – 1.VI
25,9
23,5 – 30,2
14.VII
10.VI – 23.VIII
7.X
18.IX – 22.X
3.XI
20.X – 26.XI
24.XI
10.XI – 19.XII
56
42 – 87
1
2
Рисунок 36 – Изменения максимальной температуры воды в Можайском
водохранилище (1) и средней за период апрель-ноябрь (2) в 1971-2010 гг.
Осенью также отмечается сдвиг дат перехода характерных температур, только на более
поздние сроки (на 11 суток для 10 °C и на 10 суток для 4 °C). Среднее значение периода
осеннего снижения температуры воды от 10 до 4°C составляет 27 суток (длительность
осенней гомотермии). Наблюдавшийся диапазон его изменений – от 11 до 48 суток. Сроки
установления ледостава сместились на одну декаду позднее, увеличился разброс дат
замерзания водоема. Прослеживается тенденция уменьшения средней толщины льда с 64 см
в 70-х до 52 см в 90-х годах. Средняя продолжительность ледостава составляет 150 суток при
диапазоне колебаний за период наблюдений от 112 до 169 суток (оценка продолжительности
ледостава приводится для периода 1971–2000, за последнее десятилетие отсутствуют данные
о датах перехода температуры воды через 0,2 °C весной).
2.1.3 Внутрисезонный ход температуры воды
Осреднение по декадам температуры воды внутри вегетационного сезона за
рассматриваемые периоды времени (таблица 27) показывают, что в 2000–10-х годах прогрев
водоема был заметно выше, чем предыдущие десятилетия. В 80-е годы особенно ощутимым
был рост температуры в конце мая – начале июня (на 1,9–2,1 °C) и в конце октября – начале
ноября (на 1,2–1,3 °C). В 90-х годах – в конце апреля–начале мая (на 2,0 и 0,9 °C), в первых
двух декадах июня (на 1,5–1,9 °C) и октября (на 1,3–1,6 °C), а также в середине июля и
августа ( на 1,0 °C). В 2000-e года наибольший рост температуры отмечается в конце апреляначале мая (2,1–2,6 °C), во второй половине июля (до 3,5 °C) и в концe сентября-начале
октября (2–2,5 °C). Т.e. наибольший рост температуры воды характерен для фазы раннего
летнего нагревания, позднелетнего охлаждения и периода максимального нагревания.
Обращает на себя внимание расширение периода летних температур более 20 °C с 3-х декад
в 70-х годах до 5-ти в 90-х, что, безусловно, является благоприятным фактором для
увеличения продуктивности водохранилища в эти месяцы и существенно повышает риск
возникновения вспышек цветения фитопланктона при наличии благоприятных условий со
стороны других лимитирующих цветение факторов. Наибольший диапазон изменчивости
среднедекадных температур воды наблюдается во второй-третьей декадах мая (13,6–13,7 °C)
92
из-за флуктуации майских похолоданий в течение этого месяца, минимальный – в начале
апреля и конце ноября (3,4 °C и 3,8 °C). Значительна также изменчивость декадных
температур воды в фазу летнего нагревания водоема (до 10,8 °C), когда верхний
трофогенный слой наиболее сильно подвержен влиянию синоптических ситуаций. Это,
естественно, накладывает свой отпечаток на развитие продукционных процессов в
водохранилищах, увеличивая их разнообразие и непредсказуемость в этот период времени.
Статистический анализ колебаний среднесуточной температуры поверхности воды
показал, 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 [36]. Наиболее изменчиво от
года к году число сильных потеплений поверхностного слоя в июне, когда в среднем вода
нагревается на 6,5 С. В этом месяце в годы с изменчивой погодой таких потеплений,
сменяющихся похолоданиями, бывает 3-4, в годы с преобладанием пасмурной
циклонической погоды – только одно. Но оно особенно важно для самоочищения водных
экосистем подмосковных водохранилищ в годы с холодным и дождливым маем. В сентябре
случаи антициклонической погоды продолжительностью более 2 суток вдвое менее
вероятны, чем в августе, и втрое, чем в июле.
Таблица 27 – Среднедекадные значения температуры воды на в/п Красновидово
Период, годы
Месяц
Апрель
Декада
1
2
3
Май
1
2
3
Июнь
1
2
3
Июль
1
2
3
Август
1
2
3
Сентябрь
1
2
3
Октябрь
1
2
3
Ноябрь
1
2
3
IV-XI
Среднее
за сезон
19711980
Т1
0,5
2,1
4,1
7,7
11,3
13,9
16
17,8
19,6
19,9
20,2
20,6
21
19,1
18,4
16,6
14,3
12
9,6
7,5
5
2,6
1,8
0,9
11,8
19811990
Т2
1
2,3
4,4
8
12
15,8
18,1
18
19,3
19,9
20,9
20,8
20,6
19,9
18,4
16,3
14,1
12,4
10,2
8,3
6,2
3,9
1,9
0,8
12,2
19912000
Т3
1
2,6
6,1
8,6
11,9
14,5
17,5
19,7
19,6
20,5
21,2
21,1
21,2
20,1
18,9
17,5
14,7
12,7
10,9
9,1
5,9
3,5
1,9
1
12,6
20012010
Т4
нб
нб
6,2
10,4
13,1
15,7
16,7
18,5
20,1
21,5
23,8
23,7
22,3
21,7
19,8
17,6
15,6
14,1
12,1
9,2
6,8
4,4
2,7
1,7
14,4
93
Т2–Т1
Т3–Т1
Т4–Т1
1971-2010
0,5
0,2
0,3
0,3
0,7
1,9
2,1
0,2
-0,3
0
0,7
0,2
-0,4
0,8
0
-0,3
-0,2
0,4
0,6
0,8
1,2
1,3
0,1
-0,1
0,4
0,5
0,5
2
0,9
0,6
0,6
1,5
1,9
0
0,6
1
0,5
0,2
1
0,5
0,9
0,4
0,7
1,3
1,6
0,9
0,9
0,1
0,1
0,8
нб
нб
2,1
2,6
1,8
1,8
0,8
0,7
0,5
1,6
3,5
3,2
1,3
2,5
1,4
1,0
1,3
2,0
2,5
1,7
1,8
1,8
1,0
0,8
1,7
0,8
2,3
4,9
8,1
11,7
14,8
17,2
18,5
19,5
20,1
20,7
20,8
20,9
19,7
18,5
16,8
14,4
12,3
10,2
8,3
5,7
3,3
1,9
0,9
12,2
2.1.4 Термическая стратификация в водохранилищах
Для изучения развития термической стратификации в водохранилищах наиболее
полную информацию представляют результаты учащенных наблюдений за распределением
температуры воды на одной из глубоких русловых вертикалей. Для примера рассмотрим
процесс вертикального расслоения Учинского водохранилища по наблюдениям на русловой
вертикали в приплотинном плесе и в Красновидовском плесе Можайского водохранилищ.
Наблюдения на вертикали в Учинском водохранилище начались сразу же после схода
льда – 18 апреля. От вскрытия водохранилища до появления признаков вертикального
расслоения в водоеме происходило медленное накопление тепла. Процессы
перераспределения тепла по вертикали протекали в отсутствие термических зон. Этот
период длился всего 10 дней. Уже в конце апреля наметились первые признаки
стратификации водной массы водохранилища (рисунок 32).
Число суток от начала наблюдений (18.04.73)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
H, m
-5
-10
-15
-20
Рисунок 32 – Распределение температуры воды на русловой вертикали
приплотиннного плеса Учинского водохранилища в весенний период.
В определенный момент поступление тепла стало настолько интенсивным, что возник
вертикальный температурный градиент, достаточный для того, чтобы полная циркуляция
сменилась частичной. В верхнем теплоактивном слое эффект турбулентного и конвективного
перемешивания остается достаточным для выравнивания температур, но на глубине
примерно 10 м формируется термоклин. Образованию термоклина в весенний период
прогревания водной массы водохранилища способствует нелинейное увеличение плотности
воды при повышении температуры. Момент образования слоя температурного скачка и его
глубина полностью зависит от синоптических ситуаций в этот период и в разные годы могут
значительно различаться даже в одном водоеме. В 1973 г. образование термоклина в
Учинском водохранилище происходило в условиях ветренной погоды. Ветры
северо-западного направления, совпадающего с продольной осью водохранилища,
способствовали образованию термоклина на относительно большой глубине. В 1974 г.
термоклин впервые был зафиксирован вблизи поверхности при интенсивном нагревании
94
поверхностных слоев в условиях антициклонической безветренной погоды. В дальнейшем он
быстро погружался.
В Можайском водохранилище глубина образования термоклина также значительно
колеблется от года к году. С момента установления постоянных температурных градиентов в
слое скачка вертикальное расслоение Учинского водохранилища не нарушается даже
сильными ветрами. В летний период интенсивное нагревание эпилимниона при слабом
повышении температуры воды придонных слоев приводит к плавному росту разницы
температур у поверхности и у дна. При этом перемешивание эпилимниона способствует
увеличению градиентов температуры в слое скачка и возрастанию устойчивости водной
массы водохранилища. Постепенное увеличение градиентов температуры до середины
лета - закономерное явление в развитии стратификации водоемов умеренной зоны.
Наибольших значений градиент температуры в слое скачка достигает в середине лета, когда
теплоприток к водной поверхности максимален (рисунок 33).
Сутки от начала наблюдений (21.06.74)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
-5
-10
-15
-20
Рисунок 33 – Распределение температуры воды на русловой вертикали
приплотиннного плеса Учинского водохранилища в летний период
С увеличением теплоотдачи водной поверхности к концу лета градиенты температур
в термоклине начинают уменьшаться. Временной ход температурных градиентов в слое
термоклина в течение лета в Учинском водохранилище соответствует характеру изменений
теплообмена на поверхности водоема. По данным наблюдений за развитием термической
стратификации в Учинском водохранилище в 1973 и 1974 годах и в Можайском
водохранилище в 1967-1968 годах рассчитанные значения температурного градиента
50%-ной вероятности составили соответственно 1,5 и 1,2 град/м соответственно
(при измерении температуры с шагом по глубине 1 м).
95
Как в Учинском, так и в Можайском водохранилище градиенты и толщина слоя
скачка в течение лета испытывают значительные короткопериодные колебания.
Наблюдениями отмечены изменения максимальных градиентов в слое скачка от 1,0
до 6,0 град/м в течение нескольких суток. Учащенными наблюдениями над распределением
температуры воды в этих водохранилищах установлено, что колебания слоя скачка
характеризуются периодическими изменениями его толщины – расширениями и
сжатиями - с резкими изменениями градиентов температуры. При этом изотермы в верхней
части термоклина движутся вверх (или вниз), а в нижней – вниз (или вверх),
т.е. в противоположные стороны, а термоклин пульсирует. Эти пульсации, вероятно, связаны
с распространяющимися двухобластными внутренними сейшами, наблюдающимися на
внутренних водоемах. Подобные колебания термоклина, характерные как для озер, так и для
водохранилищ, несомненно усиливают процесс вертикального обмена в водоеме,
способствуя проникновению растворенных и взвешенных веществ в гиполимнион и из него в
эпилимнион растворенных.
Разрушение слоя температурного скачка и наступление периода осенней
вертикальной изотермии в Учинском водохранилище происходит рано (в середине августа) и
при относительно высоких температурах. В Можайском водохранилище период
стратификации обычно более продолжителен при одинаковых синоптических условиях.
Причиной более раннего разрушения слоя скачка в Учинском водохранилище выступает
более интенсивный сброс холодных вод гиполимниона из водохранилища в течение всего
лета. На термический режим Можайского водохранилища глубинный сброс вод оказывает
значительно меньшее влияние, вследствие нерегулярных и меньших расходов.
В течение летнего периода распределение температуры в продольно-вертикальном
разрезе водохранилища характеризуется, как правило, слабым наклоном изотерм в слое
температурного скачка в сторону плотины.
Выводы раздела
-В
термическом
режиме
водохранилищ
прослеживается
увеличение
продолжитeльности вегетационного периода и eго части с повышенными температурами
воды. Увеличение максимальной температуры воды и теплосодержания водной массы в
летний период приводит к смещению сроков наступления осенней гомотермии на более
поздние даты. Наблюдается смещение сроков перехода температуры воды на более ранние
даты весной и более поздние даты осенью. Прослеживается тенденция уменьшения средней
толщины льда.
- Данные натурных наблюдений на Можайском водохранилище показывают, что в
последние 40 лет наблюдалось устойчивое повышение температуры водной поверхности в
москворецких водохранилищах за вегетационный сезон в среднем на 0,45 °C каждые 10 лет.
Это неизбежно должно было сказаться на состоянии их водных экосистем, о существенной
перестройке которых свидетельствуют данные гидробиологических исследований
москворецких водохранилищ [37].
- Возникновение температурной стратификации в водохранилищах и глубина слоя
температурного скачка полностью зависят от синоптических ситуаций в летний период в
водохранилище и в разные годы могут значительно различаться даже в одном водоеме.
96
2.2 Гидрохимический режим водохранилищ
2.2.1 Ландшафтная характеристика водосборов и формирование химического
состава воды притоков водохранилищ
2.2.1.1 Ландшафты водосборов
Водосборы водохранилищ играют большую роль в функционировании их
экосистемы. Основная часть биогенной нагрузки на водоем формируется за счет притока
питательных веществ с водным стоком, поступающим с водосбора. Например, водоемы,
расположенные в пределах высокоплодородных почв, отличаются высоким уровнем
продуктивности фитопланктона. Распашка почв и применение минеральных удобрений
изменяют биологический круговорот элементов, присущей биоклиматической зоне, вызывая
увеличение
миграции
элементов
по профилю
почв
с нисходящим
током
влаги [15, 18, 38, 39, 40].
Водосбор Москворецкой системы водоснабжения расположен в Нечерноземной зоне
России в пределах Смоленско-Московской моренно-эрозионной возвышенности. Рельеф
чаще всего слабоволнистый и мелкохолмистый с небольшими пологими возвышенностями.
Хорошо развита эрозионная овражно-балочная сеть. В геологическом разрезе четко
выделяются два горизонта московских и днепровских моренных суглинков, местами
разделенных флювиогляциальными песками. На поверхности находится слой покровных
суглинков. Суммарная мощность четвертичных отложений колеблется от 20 до 50 м,
снижаясь над погребенными водоразделами до 10 м. Практически повсеместно развиты
юрские глины, а на северо-востоке водосбора сохранились песчаные и песчано-глинистые
породы мелового возраста. Каменноугольные водоносные горизонты здесь довольно
надежно изолированы. Широкое развитие получили верховодка и воды, спорадически
распространенные на разной глубине в песчаных линзах и прослоях морен.
В геоботаническом отношении водосбор входит в подзону смешанных лесов.
Лесистость района составляет более 50%. Лес большей частью состоит из мелколиственных
пород, ели и сосны. Речная сеть хорошо развита – от 0,26 до 0,54 км/км2. Озерность и
заболоченность
бассейна
составляют
менее 1% [38].
Почвы
преимущественно
дерново-подзолистые. Независимо от степени оподзоленности они характеризуются малой
гумусностью (от 1,8 до 2,5%), кислой реакцией почвенного раствора (рН солевой до 4,5),
высокой гидролитической кислотностью, малым содержанием питательных веществ,
доступных для растений [39]. Использование водосборов водохранилищ в основном
сельскохозяйственное, хотя плотность населения достаточно высокая. Промышленность
развита в основном на водосборах трактов водоподачи (реки Москва, Руза, Истра), где
сосредоточены 6 городов, 6 поселков городского типа, 43 промышленных предприятия [15].
В таблице 28 приведены значения площадей частных водосборов водохранилищ,
входящих в Москворецкую систему водоснабжения и их основные гидрографические
характеристики.
97
Распаханность, %
Лесистость, %
Заболоченность,
%
Озерность, %
Средний уклон
водосбора, ‰
Средняя высота
водосбора, м
Средняя ширина
водосбора, км
Средний уклон
реки, ‰
Расстояние от
истока, км
Водохранилище
Площадь
водосбора, км2
Таблица 28 – Площади водосбора водохранилищ Москворецкого водоисточника [18]
Можайское
1360
117
1,0
12
220
<1
<1
41
24
Рузское
1150
117
0,6
10
200
<1
0
41
29
Озернинское
738
57
1,0
11
214
27
<1
2
53
14
Истринское
1010
61
1,1
17
200
<1
0
61
22
Водосбор у
Рублевского
7530
271
0,44
28
205
<1
<1
51
водозабора
Формирование водного и химического стока водохранилищ Волжской системы
происходит на обширном водосборе Верхней Волги, расположенном в подзоне смешанных
лесов и характеризующемся высокой залесенностью и заболоченностью. Коренные породы
на большей части водосбора относятся к отложениям каменноугольной, пермской и юрской
системам. Докембрийские кристаллические породы, а также отложения нижнего кембрия,
силура и среднего девона залегают на больших глубинах – до 1500-1700 м от поверхности
земли [38]. Залегания карбоновых пород имеет небольшие высотные отметки и отличаются
резко выраженным древнеэрозионным доледниковым рельефом. Известняк среднего и
нижнего карбона в долинах рек местами выступают на поверхность, образуя пороги.
Коренные породы покрыты толщей четвертичных отложений ледникового
образования мощностью 25–50 м и более. Наибольшее распространение имеет донная
морена валдайского и московского оледенений состоящая из красно-бурых суглинков и
супесей с большим включением валунов кристаллических пород и каменноугольных
известняков. Морена залегает непосредственно под почвенным слоем или покрыта сверху
мощным слоем флювиогляциальных песков. Местами распространены пористые
лессовидные породы, представленные безвалунными суглинками и супесями, имеющими
желто-бурую или серую окраску. Послеледниковые образования представлены озерным,
болотным и речным аллювием.
Рельеф района равнинно-холмистый. Речная сеть хорошо развита: от 0,12
до 0,35 км/км2. Основная роль в питании рек принадлежит снежному покрову. Характер
рельефа и условия избыточного увлажнения способствуют тому, что на водосборе много
озер (озерность бассейна составляет 2,2%) и болот. В почвенном покрове бассейна
преобладают дерново-подзолистые почвы, на пониженных участках они сменяются
подзолисто-глеевыми, торфяно-болотными и болотными почвами. Заболоченные
(дерново-глеевые и подзолисто-глеевые) почвы занимают обширные пространства в
бассейне реки Шоши, болотные почвы – водосборы рек Орши и Сози. На большей части
бассейна преобладают вторичные мелколиственные березо-осиновые леса, чередующиеся с
елово-широколиственными и сосновыми лесами. Достаточно широко распространены луга, в
основном суходольные, а по долинам рек – пойменные. Их доля в сельхозугодьях составляет
около 50%, до 40% занимают пашни.
98
Гидрохимическое следствие этих особенностей водосбора – высокое содержание
органического вещества гумусовой природы и высокая цветность вод, характерная для всех
водохранилищ волжского водоисточника.
Роль частных водосборов водохранилищ водораздельного бьефа КИМ в
формировании приходной части водного стока невелика, поскольку большая часть притока в
них (от 85 до 95%) поступает по каналу из Иваньковского водохранилища. Однако эти
водосборы хорошо освоены в хозяйственном отношении, расположены в густонаселенных
районах Москвы и Московской области и испытывают значительные антропогенные
нагрузки. Поэтому их значение для формирования качества воды Волжского водоисточника
существенно выше, чем в водном балансе. В таблице 29 для сравнения приведены значения
площадей частных водосборов водохранилищ водораздельного бьефа КИМ и общей
площади водосбора Волжского водоисточника.
Таблица 29 – Площади водосбора водохранилищ Волжского водоисточника
Водохранилище
Площадь водосбора, км2
Иваньковское
40570
Икшинское
52
Акуловское
42
Пестовское
180
Пяловское
188
Клязьминское
470
Химкинское
50
Водораздельный бьеф в целом
982
Волжский водоисточник в целом*
41552
*
Примечание – Без водосборов Вышневолоцкого и Шлинского водохранилищ.
2.2.1.2 Химический состав воды в малых реках на водосборах водохранилищ
При исследовании процессов формирования и трансформации качества воды в
водохранилищах необходимо анализировать химический состав вод притоков
водохранилища. Значение этого анализа обосновано тем, что понять и изучить экосистему
водоема можно только изучением взаимосвязанного комплекса «водоем – водосбор».
Основные потоки веществ на водосборе связаны с речным русловым стоком, поэтому
наиболее эффективный путь оценки роли водосбора в формировании состава воды водоема –
контроль гидрологического и гидрохимического режима основных рек-притоков водоема.
Обобщение данных по притокам позволяет :
- определить суммарную нагрузку на водоем химическими веществами,
- выявить различия в гидрохимических характеристиках отдельных притоков,
связанные с различиями ландшафтных особенностей частных водосборов притоков,
- установить закономерности режима качества речных вод,
- ранжировать степень влияния отдельных притоков на экосистему водоема,
- оценивать степень опасности отдельных притоков на загрязнение водоема.
Водосборы москворецких водохранилищ дренируются малыми реками, что
определяет особенности формирования их химического состава. Малые реки не обладают
высокой самоочищаюшей способностью, свойственной большим и средним рекам и
99
оказываются наиболее уязвимыми к антропогенному воздействию. Формирование
химического состава воды малой реки в отдельные гидрологические периоды происходит
вследствие смешения в различных пропорциях трех генетических типов вод данного
водосбора: склоновых, почвенных и грунтовых, отличающихся определенным диапазоном
гидрохимических характеристик. Последнее обстоятельство определяет быструю
изменчивость состава воды под воздействием гидрометеорологических условий.
Комплексные исследования процессов формирования качества поверхностных вод на
водосборах москворецких водохранилищ проводятся с 1966 года, наиболее подробные
многолетние стационарные и экспедиционные наблюдения выполнены на водосборе
Можайского водохранилища [40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49].
Ионный состав вод притоков. Основной природный фактор, определяющий
гидрохимические особенности речных вод притоков москворецких водохранилищ – высокая
увлажненность почвенно-грунтовой толщи в течение всех сезонов года. С этим связано
распространение дерново-подзолистых почв, преобладание в бассейнах хорошо промытых
моренных суглинков, наличие заболоченных территорий. В этих условиях формируются
воды гидрокарбонатно-кальциевого состава с низкой минерализацией (100–200 мг/л) в
период половодья и летне-осенних паводков и повышенной в (400–600 мг/л) в межень.
В межень, когда в русле реки преобладают грунтовые воды, при малых расходах
наблюдаются максимальные значения минерализации и концентрации главных ионов:
гидрокарбонатов, кальция, магния и натрия. По мере поступления талых вод в виде
склонового стока, содержание этих ионов резко уменьшается. В тоже время фазы
повышенного водного стока (половодье и паводки) увеличиваются концентрации сульфатов,
калия, биогенных и органических веществ, которые вымываются из верхних горизонтов почв
и лесных подстилок (таблица 30).
Различия в средних за гидрологический период величинах гидрохимических
характеристик в замыкающих створах притоков москворецких водохранилищ связаны,
главным образом, с ландшафтными особенностями их водосборов. Это иллюстрируется
следующими примерами.
Значительная залесенность, высокая заболоченность и озерность бассейна р. Озерны
(Озернинское водохранилище) определяют высокую естественную зарегулированность
стока, что проявляется в повышенной минерализации воды в весенний период по сравнению
с другими реками и меньшей внутригодовой изменчивости гидрохимических параметров.
Более высокий слой водного стока с водосбора р. Нудоль (Истринское водохранилище) по
сравнению со слоем стока с водосбора р. Катыш объясняет повышенную минерализацию
воды последней в весенний период. Бассейн р. Лусянки по сравнению с верхней Москвой
(Можайское водохранилище) характеризуется большим уклоном и средней высотой, что
определяет большую глубину эрозионного вреза его русловой сети. Это обеспечивает
питание р.Лусянки в меженный период подземными водами из более глубоких водоносных
горизонтов, воды которых обладают повышенной минерализацией и карбонатной
жесткостью.
Зависимость между содержанием в воде растворенных и взвешенных веществ и
водностью рек выражается в виде связи их концентрации (С, мг/л) и расходом воды(Q, м3/с).
Форма таких зависимостей различна. Как правило, в естественных условиях для
100
консервативных характеристик (минерализация воды, гидрокарбонаты, кальций, магний,
натрий) зависимости хорошо аппроксимируются уравнениями степенной функции (18):
C = m∙Q n
(18)
Параметр “n” определяется средней разностью минерализации разбавляемых меженных вод
при минимальных расходах воды в реке и минерализации талых вод при максимальных
расходах (таблица 31). Идентичность приведенных в таблице зависимостей для всех рек
подтверждает сходство их гидролого-гидрохимического режима.
Таблица 30 – Гидрохимические
характеристики
притоков
москворецких
водохранилищ в разные периоды
Период
Река–створ
Характеристика
весенний
летнезимний
осенний
подъем
спад
141
236
420
и, мг/л

33
40
46
47
HCO 3 , %экв
8,1
4,7
1,9
1,9
р. Москва – д. Барсуки SO42 %экв
1,0
2,7
4,8
5,5
Na / K ,
Цветность, град.
52
29
25
175
269
439
и, мг/л

38
43
45
46
HCO 3 , %экв
6,2
6,3
1,5
1,8
р. Руза – д. Красное Село SO42 %экв
1,2
3,2
2,9
5,4
Na / K ,
Цветность, град.
45
36
27
185
283
430
и, мг/л

39
44
46
44
HCO 3 , %экв
6,3
4,8
1,8
2,2
р. Озерна – д. Городище SO42 %экв
1,5
2,7
4,7
6,3
Na / K ,
Цветность, град.
36
29
16
155
267
427
и, мг/л

39
40
45
45
HCO 3 , %экв
7,5
4,9
1,9
1,9
2

р. Нудоль – д. Кузнецово SO4 %экв
1,0
3,0
2,9
5,1
Na / K ,
Цветность, град.
28
21
16
203
320
422
и, мг/л

32
47
45
47
HCO 3 , %экв
7,4
4,6
1,9
1,8
р. Катыш – д. Троицкое SO42 %экв
0,7
1,9
2,8
5,9
Na / K ,
Цветность, град.
38
29
28
101
Таблица 31 – Зависимость между минерализацией и расходом воды притоков
москворецких водохранилищ
Число
Коэффициент
Река – створ
Уравнение
членов ряда
корреляции

0
,
34
р. Москва – д. Барсуки
107
-0,97
и  420Q
р. Лусянка – д. Черники
90
и  284Q 0,38
-0,97
р. Руза – д. Красное Село
58
и  353Q 0,30
-0,91
р. Озерна – д. Городище
33
и  370Q 0,34
-0,86
р. Катыш – с. Троицкое
11
и  249Q 0,35
-0,94
р. Нудоль – с. Кузнецово
42
и  432Q 0, 47
-0,87
Расчеты ионного стока основных притоков четырех москворецких водохранилищ
показали, что внутригодовая изменчивость ионного стока значительно меньше водного, что
связано с уменьшением минерализации воды при увеличении водного стока. Повышенным
весенним ионным стоком отличается водосбор Можайского и особенно Рузского
водохранилищ, а пониженным – озернинского и Истринского.
Высокая минерализация вод зимой приводит к тому, что доля ионного стока в зимний
период составляет 20-30% в годовом стоке реки, что в 1,5-2 раза выше, чем доля зимнего
стока.
Пространственная и межгодовая изменчивость химического состава речных вод на
водосборах москворецких водохранилищ по сравнению с внутригодовой невелика.
Биогенные и органические вещества. Рассмотрение режима биогенных и
органических веществ представляет особый интерес для оценки процессов эвтрофирования.
Вынос фосфора и азота в водные объекты зависит от многих факторов: от площади
водосбора, его структуры, залесенности, распаханности, внесенных удобрений,
заболоченности, почвенного покрова и др. В москворецкие водохранилища биогенные
вещества поступают, главным образом, из рассредоточенных источников: сток с
сельскохозяйственных угодий, с территорий населенных пунктов, в результате смыва
отходов животноводческих ферм. Распашка территорий усиливает эрозионные процессы, что
вызывает механические формы миграции в ландшафте и увеличение поступления
почвенного материала в гидрографическую сеть. Наблюдения на двух малых водосборах
(лесном и полевом) в бассейне Колочи позволили количественно оценить различия в выносе
биогенных веществ с распаханного и залесенного водосборов (таблица 32).
Таблица 32 – Содержание фосфора и азота (мг/л) в воде и модуль стока (М, л/скм2)
лесного и полевого логов на водосборе Можайского водохранилища (1984 г.)
Период
Лог
Робщ
Nобщ
М
лесной
0,12
2,9
1,8
Зима
полевой
0,08
1,7
0,5
Весна
лесной
0,10
4,7
20
полевой
0,33
4,7
30
Лето
лесной
0,04
2,3
2,3
полевой
0,04
1,9
0,4
102
В отличие от показателей ионного состава воды, связи концентраций биогенных
веществ с расходами воды рек носят сложный характер. Как показали результаты учащенных
наблюдений на притоках Можайского водохранилища, проведенных в 1983-1984 гг. [15],
различия между минимальными и максимальными величинами концентрации в воде
притоков общего фосфора столь же велики, как и ее среднесуточных расходов, и достигают
в течение года 20-30 раз. Но поскольку содержание фосфора максимально в половодье и
в дождевые паводки, вариация среднесуточной величины внешней фосфорной нагрузки,
равной произведению этих концентрации и расхода воды в реке, – в 500-1000 раз больше.
По данным наблюдений в гидростворе Москва-Барсуки [50], средняя концентрация общего
фосфора в паводки (0,14 мг/л) почти такая же, как и в половодье (0,18 мг/л).
Для изучения вопроса связи фосфорной нагрузки с величиной водного стока была
исследована зависимость между содержанием в речной воде общего фосфора и расходами
воды для периодов половодья и паводков, когда происходит быстрая смена в русле вод
разных генетических типов с различным содержанием фосфора. Эта зависимость имеет
сложную форму, близкую к треугольнику. Каждая сторона такой фигуры соответствует фазе
гидрологического периода: подъему, пику и спаду половодья (паводка). Так, с ростом
расходов воды в реке Робщ резко увеличивается, затем при дальнейшем более интенсивном
росте расходов либо продолжает увеличиваться, либо уменьшается, оставаясь значительной
на пике половодья или паводка. На спаде половодья, как правило, наблюдается линейная
зависимость Робщ (Q), т.е. с уменьшением расхода содержание общего фосфора падает.
В паводки связь Робщ (Q) в воде рек менее устойчива и более разнообразна, так как зависит от
различных
гидрометеорологических
условий,
состояния
почвенного
покрова,
растительности и т.д.
Полученная форма зависимости Робщ (Q) по материалам наблюдений одного года не
случайна, о чем свидетельствует анализ связи с водностью содержания другого биогенного
элемента – калия за пять лет. Форма зависимости К (Q) сохраняется от года к году, однако
изменяется положение вершин треугольника, соответствующих моменту преобладания в
реке вод одного из трех генетических типов.
Значительные вариации фосфорной нагрузки в зависимости от водности года и
внутригодовой структуры водного стока затрудняют использование результатов
эпизодических наблюдений при оценках эвтрофирования по стационарным балансовым
моделям. Поэтому наличие связи Робщ (Q) позволяет теоретически оценить вынос фосфора с
водосбора со стоком рек и нагрузку фосфором Можайского водохранилища в разные фазы
его гидролого-гидрохимического режима.
В нашем исследовании установлены достоверные различия в выносе биогенных
веществ с водосборов основных притоков Можайского водохранилища (р. Лусянки
и р. Москвы), различающихся не только физико-географическими условиями, но и степенно
освоенности территорий их водосборов (таблица 33).
103
Таблица 33 – Средние концентрации биогенных элементов в притоках Можайского
водохранилища
Залесенность Распаханность
Водный объект
К
Pобщ Nобщ
водосбора, % водосбора, %
р. Москва – д. Барсуки
46
20
8,9 0,28 9,2
р. Лусянка – д. Черники
28
34
10,5
0,52
8,7
Наибольшая концентрация общего и минерального азота, общего и минерального
фосфора, а также калия наблюдается в период весеннего половодья, а органических веществ,
характеризуемых
бихроматной
окисляемостью (БО) – в
крупные
летне-осенние
паводки (таблица 34).
Таблица 34 – Средние значения показателей содержания ОВ (мгО/л) в воде притоков
Можайского водохранилища в 1983/84 г.
Фазы гидрологиВодный
Nобщ
Робщ
БО
ческого режима
сток, %
мг/л
%
мг/л
%
мгО/л
%
Зимняя межень
10,6
3,6
8,8
0,06
4,8
11,4
6,1
Зимние паводки
17,8
3,6
14,9
0,11
15,4
18,8
17,0
Весеннее половодье
33,3
5,1
40,1
0,18
47,0
19,3
32,7
Летняя межень
11,3
3,6
9,6
0,05
4,6
12,1
8,9
Летне-осенние паводки
27,0
4,2
26,6
0,14
28,2
25,7
35,3
Увеличение содержания ОВ весной и еще более в летние паводки первой половины
лета происходит, в значительной степени, за счет биохимически трудно окисляемых
соединений (гуминовых и фульвокислот). В качестве косвенной характеристики их
содержания в воде принимается перманганатная окисляемость (ПО). С августа в увеличении
содержания ОВ в паводки все большую роль начинают играть легко окисляемые соединения
(продукты
разложения
органических
остатков),
вследствие
чего
отношение
ПО/БО уменьшается (таблица 35).
Таблица 35 – Средние значения показателей содержания ОВ (мг/л) в воде притоков
Можайского водохранилища в 1983/84 г.
Фазы гидрологического
р. Москва – д. Барсуки
р. Лусянка – д. Черники
режима
ПО
БО
ПО/БО
ПО
БО
ПО/БО
5,0
11,4
0,44
4,0
9,8
0,41
Зимняя межень
Зимние паводки
8,4
18,8
0,45
8,8
21,1
0,44
Весеннее половодье
9,6
19,3
0,50
9,9
21,2
0,49
Летняя межень
6,4
19,1
0,53
6,0
14,9
0,40
Летние паводки
11,0
27,2
0,40
11,9
20,8
0,57
Осенние паводки
9,1
23,8
0,38
8,1
22,4
0,36
Полученные закономерности были подтверждены исследованиями притоков
Истринского водохранилища, проведенными в 1991 г. В воде рек Нудоль и Катыш
внутригодовое распределение содержания биогенных элементов в целом, характеризуется
теми же закономерностями, что и в притоках Можайского водохранилища: наибольшие
концентрации – в период весеннего половодья, наименьшие – в межень (таблица 36).
104
Таблица 36 – Средняя концентрация биогенных веществ (мг/л) в основных притоках
Истринского водохранилища в весенне-летний период 1991 г.
Фазы
р.Нудоль – д.Кузнецово
р.Катыш – д.Троицкое
гидрологического
Nмин
Nвал
Рмин
Рвал
Nмин
Nвал
Рмин
Рвал
режима
Весеннее половодье
2,0
3,2
0,11
0,14
2,9
3,6
0,11
0,14
Летние паводки
1,7
2,2
0,08
0,11
2,6
3,4
0,20
0,24
Летняя межень
1,6
2.4
0,10
0,12
2,0
2,7
0,17
0,21
Однако, в р. Катыш наибольшее содержание фосфора наблюдалось в период крупного
летнего паводка, что скорее всего связано с пониженным слоем водного стока с водосбора
р. Катыш и хорошей естественной зарегулированностью стока, по сравнению с р. Нудоль.
Кроме того, в воде р. Катыш содержание биогенных элементов выше. В летний паводок
содержание Nмин и Nвал в 1,5 раза, а Рмин и Рвал в 2,5 раза выше в р. Катыш.
Анализ изменений фосфорной нагрузки на водоем в зависимости от водности года и
внутригодовой структуры водного стока проведен на основе расчета суммарного притока в
водохранилище фосфора за 11-летний ряд наблюдений (1987-1997 гг.). В него вошли шесть
средневодных лет, три маловодных и два многоводных. При этом годы с одинаковой
водностью различались внутригодовым распределением стока, т.е. долями отдельных фаз
стока в годовом притоке (таблица 37)
Таблица 37 – Внутригодовое распределение водного стока (W) и притока общего
фосфора (RТР) в Можайское водохранилище в годы разной водности (%)
Годы
Весеннее
Летние, осенние и
Межень
половодье
зимние паводки
RТР
W
RТР
W
RТР
W
Маловодные
1964
91
75
3
6
6
19
1967
93
78
3
4
4
18
1975
93
70
2
4
5
26
1996
65
34
27
37
18
29
2007
58
37
20
26
27
37
Средневодные
1966
94
86
1
7
5
7
1970
94
82
4
9
2
9
1973
66
51
26
36
8
13
1974
86
65
11
18
3
17
1983
73
54
23
29
4
17
1984
57
48
33
37
10
15
Многоводные
1980
60
41
35
49
5
10
1982
81
56
17
37
2
7
1990
44
38
48
52
8
10
1998
43
32
52
60
5
8
2009
26
21
69
72
5
7
105
Цветность вод. Сравнительно небольшая заболоченность водосборов москворецких
водохранилищ предопределяет относительно невысокую цветность воды их притоков.
Максимальные значения наблюдается весной и во время летне-осенних паводков,
минимальные – зимой. В целом, цветность выше в Рузском и Можайском водохранилищах
(таблица 38).
Таблица 38 – Цветность воды основных притоков москворецких водохранилищ [15]
Река
Сезон
Цветность, град
средняя диапазон
Москва и Лусянка
Весна
52
17-67
Лето-осень
29
15-58
Зима
25
15-40
Руза и Волошня
Весна
45
30-96
Лето-осень
36
15-75
Зима
27
8-48
Озерна
Весна
36
19-44
Лето-осень
29
20-45
Зима
16
6-20
Нудоль и Катыш
Весна
35
18-50
Лето-осень
31
26-35
Зима
Наибольшие значения цветности наблюдаются в притоках Рузского водохранилища, в
воде которых она может достигать 100 град. Наименьшие ее величины – в притоках
Озернинского водохранилища, где среднее значение весной – 35 град.
По наблюдениям на притоках Можайского водохранилища за период с 1967 года
по 1987 год существенных изменений в минерализации воды рек не произошло. Несколько
возросла концентрация сульфатов и хлоридов – в половодье на 20 и 60% соответственно, в
межень – на 50 и 130%. Установлена отчетливо выраженная тенденция роста среднего
содержания общего азота с 3,3 мгN/л в 1971 г. до 5,4 мгN/л в 1984 г. и калия с 2,9 до 6,9 мг/л
за этот же период. При отсутствии крупных промышленных предприятий в бассейне
Можайского водохранилища рост содержания в реках ионов N, K, SO4 и Cl при неизменной
концентрации Na скорее всего свидетельствует об интенсификации сельскохозяйственного
производства в этот период и о неудовлетворительном выполнении агротехнических
приемов внесения удобрений.
2.2.2 Гидрохимический режим Москворецких водохранилищ
В водохранилищах москворецкой системы из-за глубокого сезонного регулирования
речного стока, происходит значительная трансформация качества воды. Сходство этих
водохранилищ по размерам, гидрологическому режиму, характеру распределения и
динамике водных масс предопределяет общность основных черт их гидрохимического
режима. Наиболее полные данные о гидрохимическом режима имеются для Можайского
водохранилища, на котором неоднократно проводились специальные наблюдения и
эксперименты по изучению химического состава вод. Установленные по наблюдениям на
Можайском водохранилище гидрохимические закономерности режима неоднократно
подтверждались эпизодическими экспедиционными исследованиями химического состава
106
воды других москворецких водохранилищ, а также материалами регулярных наблюдений
лабораториями МВК, поэтому могут рассматриваться как общие для водохранилищ
москворецкой системы.
Минерализация и солевой состав вод водохранилищ. Вода москворецких
водохранилищ относится к карбонатному классу кальциевой группы переходного (I-II) типа
с минерализацией от 90 мг/л весной до 530 мг/л зимой. В зимний период наблюдается
стратификация воды по минерализации и содержанию главных ионов, особенно в среднем и
нижнем районах водохранилищ. Минерализация воды подо льдом в начале зимы равна
180-275, а к концу ее – 320-350 мг/л. В придонных горизонтах она растет от 350-400 в начале
зимы до 450-500 мг/л в ее конце. У дна изменяется и химический состав воды: понижается
доля гидрокарбонатов Ca и Mg за счет повышения хлоридов Na, что свидетельствует о
заметном вкладе грунтовых вод в формировании придонной водной массы. По продольной
оси водохранилищ минерализация снижается по направлению к плотине.
В весенний период вертикальная химическая неоднородность отсутствует, а
горизонтальная выражена очень ярко. Так, в начале весны в среднем районе Можайского
водохранилища минерализация составляет 90-100 мг/л, в приплотинной части она
увеличивается до 130-180 мг/л, благодаря значительной доле зимних вод в составе весенней
водной массы водохранилища.
Динамика водных масс в первую половину летне-осеннего периода способствуют как
вертикальной, так и горизонтальной химической неоднородности вод, выраженной, однако,
менее резко, чем зимой. Минерализация воды, как правило, выше, в верховьях.
Соответственно от верховьев к плотине изменяется и содержание главных ионов:
HCO3 от 2,9 до 2,4 мг-экв/л в Рузском и от 2,9 до 2,5 мг-экв/л в Озеринском водохранилищах.
Процессы продуцирования и деструкции ОВ приводят к изменению не только
газового режима и круговорота биогенных и органических веществ, но и составляющих
карбонатно-кальциевой системы. Сдвиг карбонатного равновесия за счет процесса
фотосинтеза в трофогенном слое приводит к появлению в воде карбонатного иона,
содержание которого может достигать 8–11%-экв, и соответствующему уменьшению
относительно содержания гидрокарбонатного иона. Величина рН вследствие процесса
фотосинтеза достигает величин 8,8–9,3, а в отдельные годы и выше.
Во второй половине летне-осеннего периода исчезает химическая стратификация, в
среднем и приплотинном районах водоемов образуется довольно однородная осенняя водная
масса с пониженными значениями главных компонентов солевого состава по сравнению
верхними районами.
Органические и биогенные вещества. Главной отличительной чертой временного и
пространственного распределения показателей органического вещества (БО, ПО, Цветность)
является их значительная неоднородность. В таблице 39 приведены их средние значения и
диапазон колебаний за периоды наблюдений в различные годы наблюдений и последнее
десятилетие (по данным МВК).
107
Таблица 39 – Средние диапазоны
москворецких водохранилищ
Параметры
Годы
1967-1976
в
Рузское
содержании
некоторых
Водохранилища
Озернинское Истринское
8–60
30
12–65
26
8–55
28
10–60
23
Можайское
6–96
29
Цветность, град
диапазон
10–69
1984-2000
средняя
24
14–64
2000-2012
28
4,4–13,8
4,2–10,9
4,5–9,7
4,6–11,9
1967-1976
7,5
7,2
7,3
7,2
ПО, мгО/л
4,2–13,6
4,6–11,4
3,8–16,0
4,2–13,6
диапазон
1984-2000
8,3
7,8
8,5
7,7
средняя
4,4-14,4
2000-2012
8,1
6,1–32,6
10,0–31,0
13,0–26,5
9,0–33,1
1967-1976
18,7
18,9
21,1
18,9
БО, мгО/л
10,1–35,8
диапазон
1984
19,5
средняя
12,3–34,3
2012
19,1
Перманганатная окисляемость в последнее десятилетие несколько возросла. Однако,
установить статистическую достоверность различия средних значений из-за неоднородности
данных и большой дискретности наблюдений установить трудно.
Различия в величинах БО в Можайском водохранилище достигали 3,7 раз, в других
водохранилищах они не превышали 3,3 раза в каждую из съемок. Однако,
среднемноголетние значения показателей органического вещества в четырех
водохранилищах Москворецкой системы отличаются между собой незначительно: Цветность
от 25 град (Истринское) до 30 (Рузское), ПО от 7,2 мгО/л (Можайское и Озеринское)
до 7,5 (Рузское) и БО от 18,7 мгО/л (Рузское) до 21,1 (Истринское). Сезонная изменчивость
величины бихроматной окисляемости, которая характеризует суммарное содержание В,
более значительна: минимальные ее концентрации характерны для зимы, несколько более
высокие наблюдаются осенью, максимальные – весной и летом. Средние значения БО от
сезона к сезону меняются, как правило, на 15-25%, однако в одни и те же сезоны разных лет
они могут различаться на 40-45% [50]. Связано это либо с особенностями внутригодовой
структуры водного стока либо с интенсивностью продукционных процессов в
водохранилище. Тем не менее, можно выявить общие закономерности внутригодового хода
средней концентрации ОВ в воде водохранилища. В весенний период БО повышается по
сравнению с зимой на 40-50%. В конце весны – начале зимы его величина снижается по
сравнению с предыдущим периодом на 15-20%, что связано с разрушением части
аллохтонной (поступившей с водосбора) органики. Летом происходит увеличение БО
108
15–70
25
16–69
27
показателей ОВ
в среднем на 15%, за счет повышения содержания автохтонной органики, и к осени ее
величина уменьшается на 25% и становится близкой к величине БО в период начала
вегетации. В течение зимы ее среднее содержание продолжает уменьшаться, достигая
минимальных величин за год, за счет деструкции ОВ, его коагуляции и оседания на дно,
а также в результате усиления водообмена при поступлении речных зимних вод с малым
содержанием ОВ.
Пространственная неоднородность концентраций ОВ также значительна. Для
Можайского водохранилища такая оценка была осуществлена на основе данных 22 съемок,
проведенных в течение трех лет (1969, 1972 и 1976 г.) и съемок 1984 и 2012 гг.. Число проб
в каждую съемку варьировало от 12 до 66. Коэффициенты вариации (Cv) величин БО,
измеренных во время каждой съемки, варьировали в разные годы и сезоны от 0,13 до 0,37.
Минимальными значениями этого коэффициента отличается осенний период,
максимальными – весенний.
Пространственная неоднородность больше на участках с преимущественным
развитием речных водных масс (верхних), чем на участках, где преобладают водные массы
озерного типа (средних и нижних). Средние за год величины БО также уменьшаются от
верховьев к плотине. Содержание ОВ, характеризующихся величиной перманганатной
окисляемости (ПО) в воде москворецких водохранилищ также, как БО, невелико.
Наибольшие
значения ПО
наблюдаются
в
водах
весеннего
притока,
концентрирующихся в верхних и примыкающих к ним участках средних районов
водохранилищ, а далее происходит уменьшение их значений к плотине. В течение весеннего,
летнего и осеннего периодов, воды приплотинных участков москворецких водохранилищ
характеризуются наименьшими значениями ПО и только зимой они наибольшие.
Цветность воды в Москворецких водохранилищах сравнительно невелика: среднее
многолетнее значение не превышает 30 град. во всех водохранилищах, а максимальное из
наблюдаемых – 96 град отмечено в Можайском. В последнее десятилетие она несколько
уменьшилась, что, по-видимому, связано с общим уменьшением водности притоков,
Распределение цветности, также как и других показателей ОВ, крайне неоднородно как во
времени, так и в пространстве. Наибольшие ее значения наблюдаются весной в верхних
районах водохранилищ, в приплотинных участках в этот период она почти в два раза ниже.
Снижение цветности наблюдается от весны к зиме, что наиболее ярко проявляется в верхних
районах водохранилищ. Наименее выражены сезонные изменения химического состава воды
в приплотинных участках всех водохранилищ.
Биогенные вещества. Содержание биогенных веществ, как и органических, в воде
водохранилищ зависит от их внутригодовой изменчивости в притоках, характера
водообмена, а также совокупности внутриводоемных физико-химических и биохимических
процессов. Если рост содержания биогенных веществ в воде водохранилища к концу
весеннего половодья обусловлен главным образом поступлением веществ с речным
притоком, то изменения их концентрации в течение вегетационного периода в значительной
степени связано с продукционно-деструкционными процессами и выносом биогенов из
донных отложений в условиях возникающей летом аноксии гиполимниона.
Лимитирующим биогенным элементом в воде москворецких водохранилищ является
фосфор. Величины соотношения P:N в воде водохранилищ по данным учащенных
109
наблюдений в июле 1990 г. (середина вегетационного периода) и среднемноголетних
величин, приведенных в таблице 40, подтверждают этот факт.
Таблица 40 – Соотношение Р и N в воде москворецких водохранилищ
Период
Можайское
Рузское
Озеринское
Истринское
наблюдений
Среднее
1:30
1:35
1:48
1:43
многолетнее
Июль 1990г
–
1:38
1:42
1:36
Известно, что аналитически определяемый при лабораторном контроле качества воды
растворенный минеральный фосфор относится к биологически доступному фосфору и
усваивается фитопланктоном, стимулируя развитие цветения водоема. В то же время,
учитывая способность различных форм фосфора к быстрым взаимопревращениям, в
гидрохимических исследованиях целесообразно определять также общее содержание в воде
органического и минерального, растворенного и взвешенного фосфора (Робщ).
В период первых десятилетий существования водохранилищ содержание Робщ
изменялось во всех водохранилищах в пределах 10–640 мкгР/л, минерального
фосфора (РО4) – 10–540 мкгР/л. Самые высокие среднемноголетние значения Робщ и РО4
наблюдались в Можайском водохранилище и составляли 85 и 58 мкгР/л, соответственно,
наименьшие – (42 и 28 мкгР/л) – в Истринском (таблица 41).
Таблица 41 – Среднемноголетние величины и диапазоны содержания фосфора в воде
москворецких водохранилищ, мкг/л
Водохранилища
Показатель
Годы
Рузское
Озеринское
Истринское
Можайское
Робщ
диапазон
1967-1976
16–342
53–403
10–367
11–640
средняя
77
67
42
85
РО4
4–289
1–340
1–310
1–540
1967-1976
диапазон
53
46
28
58
средняя
10-500
10-980
0-500
10-480
1984-2000
110
110
80
120
Судя по росту среднегодовых концентраций ортофосфатов в воде водохранилищ, в
последние десятилетия фосфорная нагрузка водохранилищ была выше, чем в предыдущие
годы. Многолетние изменения среднегодовых концентраций ортофосфатов в воде трех
москворецких водохранилищ (рисунок 37) характеризуются максимумом в начале 90-х
годов. В последние годы фосфорная нагрузка на водохранилища начала снижаться из-за
сокращения масштабов хозяйственного использования водосборов.
110
ортофосфаты, мг/л
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
1984
1999
1990
1
2
3
Рисунок 37 – Изменение среднегодовых концентраций ортофосфатов в москворецких
водохранилищах. (1 – Рузское, 2 – Озернинское, 3 – Можайское)
Внутригодовая изменчивость концентрации фосфора была подробно изучена в
процессе проведения детальных гидролого-гидрохимических съемок 1983–1984 гг. и 2012 г.
на Можайском водохранилище [21].
Водохранилище наиболее однородно по содержанию Робщ в зимний период.
Максимальная изменчивость этой характеристики наблюдается в летне-осенний период при
наибольшей интенсивности продукционно-деструкционных процессов в водоеме и сильной
пятнистости (Сv>60).
В режиме фосфора наблюдается четко выраженная сезонная динамика. При
наполнении водохранилища водами половодья средняя величина Робщ возрастает
вдвое - от 50 мкг/л до 100. Наибольшие концентрации наблюдаются во всей толще среднего
и приплотинного районов, кроме самых глубоких горизонтов, где сохранились
неперемешанными остатки зимних вод.
В конце мая и в июне, как правило, наступает период, характеризующийся
окончанием вспышки диатомовых водорослей и седиментации большей части взвесей,
принесенных половодьем. Средняя за этот период величина Робщ в водохранилище снижается
в 2-2,5 раза, убывая от верховий к приплотинному участку, в противоположность
предшествующему периоду. Скорее всего снижение Робщ происходит за счет процессов
седиментации взвесей, соосаждения фосфора, его биотрансформации и биоседиментации
обильным зоопланктоном, развившимся на диатомовом детрите. К концу лета, началу осени
рост средней по водоему величины содержания Робщ продолжается, достигая максимального
в году значения 104 мкгР/л. Характерно значительное увеличение Робщ ко дну, особенно на
глубоких вертикалях (от 300 до 450 мкгР/л), что было вызвано регенерацией фосфора из
донных отложений.
Иллюстрацией процессов вертикальной изменчивости различных форм фосфора в
период летней стратификации могут служить результаты, полученные на основе учащенных
наблюдений в Красновидовском плесе Можайского водохранилища. На рисунках 38 и 39
показаны изменения минерального и общего фосфора на русловой вертикали плеса в
начальный период активного развития биологических процессов.
111
Как видно из этих рисунков, от июня к июлю в водохранилище резко усиливается
вертикальная стратификация фосфора. Это связано с интенсификацией продукционных
процессов, усилением стратификации кислорода и выносом фосфора из донных отложений.
Следует обратить внимание на периодические нарушения этой стратификации (по «волнам»
изолиний в придонных слоях), обусловленные периодическими динамическими явлениями
вертикального перемешивания водной толщи водохранилища при изменении синоптической
ситуации, и такие же периодические возрастания общего фосфора в поверхностных слоях,
связанные с перидичностью в интенсивности продукционных процессов.
а)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 1 .0 6
2 5 .0 6
2 9 .0 6
0 3 .0 7
0 7 .0 7
1 1 .0 7
Глуб ина, м
0
2
4
6
8
10
12
14
б)
Д а т ы н а б лю д е н и й
0 7 .0 6
1 7 .0 6
2 7 .0 6
0 7 .0 7
1 7 .0 7
2 7 .0 7
0 6 .0 8
Глуб ина, м
0
2
4
6
8
10
12
в)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 6 .0 6
3 0 .0 6
0 4 .0 7
0 8 .0 7
1 2 .0 7
1 4 .0 7
0
Глуб ина, м
2
4
6
8
10
12
Рисунок 38 – Распределение минерального фосфора (мкг/л) по вертикали в
Красновидовском плесе Можайского водохранилища летом 1989 (а), 1990 (б) и 1996 (в)
годов
112
а)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 1 .0 6
2 5 .0 6
2 9 .0 6
0 3 .0 7
0 7 .0 7
1 1 .0 7
Глуб ина, м
0
2
4
6
8
10
12
14
б)
Д а т ы н а б лю д е н и й
0 7 .0 6
1 7 .0 6
2 7 .0 6
0 7 .0 7
1 7 .0 7
2 7 .0 7
0 6 .0 8
Глуб ина, м
0
2
4
6
8
10
12
в)
Д а т ы н а б лю д е н и й
2 6 .0 6
3 0 .0 6
0 4 .0 7
0 8 .0 7
1 2 .0 7
1 4 .0 7
0
Глуб ина, м
2
4
6
8
10
12
Рисунок 39 – Распределение концентраций общего фосфора в Красновидовском плесе
Можайского водохранилища летом 1989 (а), 1990 (б), и 1996 (в) годы
Осенью в водохранилище наблюдалось понижение средней для всего водохранилища
величины Робщ до 40 мкгР/л, при этом его среднее содержание на вертикалях убывало от
верховий к приплотинному участку. Соотношение содержания различных форм фосфора в
водохранилищах в наиболее важные в гидроэкологическом отношении периоды года
(весенний и летний) приведено в таблице 42 [21].
113
Таблица 42 – Среднее содержание общего (Робщ), минерального (Рмин), взвешенного
общего
(Робщ.взв.)
и
минерального (Рмин.взв)
фосфора
в
москворецких
водохранилищах (мкг/л) в апреле и июле 1990 года
Водохранилища
Робщ
Рмин
Робщ.взв
Рмин.взв
IV
VII
IV
VII
IV
VII
IV
VI
Можайское
90
100
58
48
29
44
4
4
Рузское
39
65
23
22
17
41
13
3
Озернинское
32
49
5
8
13
37
2
6
Истринское
56
55
22
22
26
43
7
16
В летний период 1990 г., как было отмечено выше и для 1984 г., резко увеличивается
общее содержание фосфора, главным образом, за счет органических форм, что объясняется
переходом минерального фосфора в органическое вещество клеток водорослей. Заметно
возросло и содержание взвешенных веществ в воде водохранилищ, что скорее всего связано
с увеличением автохтонного ОВ-сестона и детрита.
По этим данным отчетливо проявляются особенности отдельных водохранилищ.
В Можайском и Рузском в летний период уменьшаются доля Рмин, а в Озернинском и
Истринском она остается на том же уровне, что и весной. К тому же в двух последних
водохранилищах уже весной наблюдались очень низкие соотношения Рмин/Робщ В то же
время, в Озеринском и Истринском водохранилищах существенно возрастает к лету
взвешенная, преимущественно сестонная форма фосфора, т.к. соотношение Рвзв/Рраст
возрастает более чем в 4 раза. В Рузском и особенно Можайском также наблюдается летом
увеличение доли взвешенного фосфора, но только в 2 раза.
Интенсивному переводу фосфора во взвешенную форму способствовали по видимому
две причины:
- дождливая погода в июне, обусловившая увеличение поступления взвешенных
форм Р в водохранилища;
- более интенсивное удаление минерального Р из Можайского и Рузского
водохранилищ, вследствие повышенных сбросов в первую половину лета именно из этих
водохранилищ, в то время как минеральный фосфор Истринского и Озеринского
водохранилищ усваивался водорослями и трансформировался во взвешенный органический.
Таким образом, из-за особенностей режима регулирования стока возникают различия
в характере круговорота фосфора в москворецких водохранилищах и по этому признаку их
можно подразделить на две группы:
а) Можайское и Рузское;
б) Истринское и Озернинское.
Различия состоят в следующем:
- в воде водохранилищ первой группы доля Рмин значительно выше и остается
высокой и к лету;
- в этой же группе повышение летом Рвзв происходит менее резко, чем во второй ;
- из Озернинского и Истринского водохранилищ в летний период сбрасывается
преимущественно взвешенный фосфор в органической форме, в сбросе Можайского и
Рузского напротив высока доля минерального фосфора (таблица 43).
114
Таблица 43 – Соотношения различных форм фосфора в сбросе москворецких
водохранилищ в летний период
Соотношения
Водохранилища
форм Р
Можайское
Рузское
Озернинское Истринское
Рмин/Робщ
0,42
0,43
0,10
0,0
Рвзв/Рраст
0,34
0,62
2,16
2,50
Таким образом, более высокий трофический уровень второй группы водоемов
(Озернинское и Истринское) и, соответственно, их более высокая продуктивность, а также
более поздняя сработка (во второй половине лета) способствуют накоплению в них
органического вещества аллохтонного (внутриводоемного) происхождения.
Еще одна особенность режима фосфора в москворецких водохранилищах связана
с особенностями их гидрологической структуры. Существование и сохранение в них
устойчивой плотностной стратификации в летний период обусловливает различие
в содержании легкоусваиваемых минеральных форм биогенов в эпи- и гиполимнионе.
Увеличение Рмин в придонных горизонтах по сравнению с поверхностными для всех
москворецких водохранилищ связано как с потреблением ортофосфатов в фотическом слое,
так и с поступлением Рмин. Из донных отложений в гиполимнион. Обращает на себя
внимание почти полное исчезновение Рмин в поверхностном слое Озернинского
и Истринского водохранилищ, что указывает на более высокую потенциальную способность
водоемов этой группы к интенсивному развитию цветения, которое лимитируется в них
фосфором.
Немногочисленные данные о распределении величин концентрации общего азота в
воде водохранилищ свидетельствуют о том, что амплитуда колебаний их по акватории
водохранилищ в любой сезон года велика. В качестве основных факторов распределения
азота в воде водохранилищ указываются в основном три: распределение планктона и
интенсивность его жизнедеятельности, интенсивность распада органического вещества и
характер перемещения вод в водоеме.
Роль особенностей динамики вод в распределении азота в водохранилищах возрастает
весной в период наибольшей смены воды и низких ее температур. Особенно важен этот
фактор для москворецких водохранилищ, характеризующихся слабым водообменом,
в которых к концу весны задерживается значительная часть зимних вод. Характер и степень
их смешения с весенними водами и содержание азота в последних определяют тот уровень
концентрации азота, с которым, по-видимому, связан цикл азота в вегетационный период.
Средняя концентрация азота после поступления талых вод увеличилась по сравнению
с концентрациями в конце зимы в два раза. Далее, вплоть до сентября, содержание N
уменьшилось. В ноябре произошло резкое увеличение концентрации азота почти в два раза.
Доминирующей формой в концентрации общего азота с начала лета и до осени был
органический азот, весной его роль несколько меньше и лишь зимой преобладающей формой
становится минеральный азот.
Характер изменения средней концентрации органического азота с конца зимы до конца
осени полностью повторяет ход изменения концентрации общего азота: увеличение после
поступления талых вод и вод паводка и дальнейшее падение до начала осеннего
перемешивания, после которого концентрация органического азота оказалась резко
115
возросшей. Таков же сезонный ход среднего содержания аммонийного азота, за исключением
осеннего периода. Его средняя концентрация увеличилась от 0,25 мг/л зимой до 0,35 мг/л
весной, в течение летнего периода почти не менялась и резко падала до 0,1 мг/л осенью.
Характер сезонных изменений средних концентраций нитратного азота противоположен ходу
концентраций аммонийного азота. С конца зимы, когда его концентрация максимальна
(0,9 мг/л), и вплоть до начала осеннего перемешивания его содержание в воде водохранилища
падает до 0,1 мг/л, а после перемешивания возрастает до 0,3 мг/л.
В конце зимы было повышенное содержание его в верхнем и среднем районах
водохранилища по сравнению с приплотинным, что было связано с аккумуляцией в них вод
осеннего паводка с повышенным содержанием в них азота. Весной воды верхней половины
водохранилища, представляющие собой, судя по другим характеристикам, воды половодья,
почти не смешанные с водами водохранилища, имели в среднем меньшую
концентрацию Nобщ (2,0 мг/л), чем воды приплотинной части водохранилища (2,8 мг/л).
Характер пространственного распределения концентрации аммонийного и нитратного азота
весной такой же, как и органического и общего. В этот период среднее содержание
минерального азота в верхнем районе было 0,8, в нижних – 1,1 мг/л.
Материалы наблюдений за другие годы подтверждают, что выявленные
закономерности в распределении азота и их средние сезонные содержания сохраняются год
от года. Рассмотренные данные по Можайскому водохранилищу показывают, что динамика
водных масс наряду с характером изменения содержания азота в водах его притоков
определяют характер распределения его концентрации в водохранилище в период низких
температур воды (зимой и весной). Максимальные концентрации азота, связанные
с указанными факторами, наблюдаются весной. Органический азот является преобладающей
формой связанного азота в воде водохранилища во все сезоны года, кроме зимы. Однако и
зимой его доля также достаточно велика, он составляет более трети суммарного азота.
Многолетние изменения концентраций минерального азота в москворецких
водохранилищах в последние десятилетия, в отличие от минерального фосфора, не имеют
определенно выраженной тенденции (рисунок 40).
аммонийный азот, мг/л
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
1984
1990
1
2
3
Рисунок 40 – Многолетние изменения аммонийного азота в москворецких
водохранилищах (1 – Рузское, 2 – озернинское, 3 – Можайское)
116
Режим растворенного кислорода в москворецких водохранилищах. Изменение
направленности и интенсивности продукционно-деструкционных процессов в экосистемах
водоемов, подверженных эвтрофированию, в первую очередь отражается на режиме
растворенного в воде кислорода. Содержание и распределение в воде водоема растворенного
кислорода в каждый отдельный момент времени интегрально отражает особенности тесно
взаимосвязанных гидродинамических и биохимических процессов. Поэтому, относительно
легко измеряемое содержание растворенного кислорода в воде служит важной информацией
при оценке состоянии экосистемы и процессов эвтрофирования водоема.
Изучению кислородного режима москворецких водохранилищ всегда уделялось
особое внимание, но наиболее подробные материалы для характеристики закономерностей
его режима получены в последние годы на Можайском водохранилище, когда появилась
возможность получать массовый материал с помощью быстрого инструментального метода
зондирования концентраций растворенного кислорода in situ. Обобщением данных
наблюдений установлены основные закономерности режима растворенного кислорода в
Можайском водохранилище.
В период весенней изотермии его содержание в водохранилище составляет
75-95% насыщения от поверхности до дна. Летом в эпилимнионе (до глубины 6–8 м)
содержание О2 постоянно высокое (> 70%). В поверхностном слое, где интенсивен
фотосинтез, его содержание в отдельные дни может превышать 200% насыщения.
В гиполимнионе с момента его образования начинается быстрое (до 400–500 мг/(м3∙сут))
уменьшение содержания О2. Наибольшие вертикальные градиенты снижения концентрации
кислорода (до 3–5 мг/(л м)) обычно совпадают со слоем температурного скачка. В конце лета
в пробах воды из придонного слоя глубоководных участков иногда отмечается запах
сероводорода. Размеры летних зон аноксии в водохранилищах изменяются в зависимости от
гидрометеорологических условий года. Однако, характерной чертой кислородного режима
водохранилища в последние годы стало постепенное увеличение зоны аноксии в течение
лета и ее быстрое восстановление после кратковременного перемешивания. Это хорошо
иллюстрируется по данным двух синхронных съемок распределения кислорода
в 1997-1999 гг. Первые съемки проводились в июне (период «чистой воды») или начале июля
месяца, вторые – в середине июля, когда резко активизируются продукционные
процессы (рисунок 41).
117
06.07.97
17.06.98
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
18.07.97
-5
-5
-10
-10
-15
-15
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
02.07.98
-5
-5
-10
-10
-15
27.06.99
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
16.07.99
-5
-5
-10
-10
-15
-15
Рисунок 41 – Распределение растворенного кислорода в Можайском водохранилище в летний период 1997–1999 гг.
(По оси «х» – расстояние от плотины, км, по оси «у» глубина, м).
118
Как видно приведенных рисунков, даже за сравнительно короткий период времени в
водохранилище заметно растут размеры зоны аноксии (содержание кислорода менее 1 мг/л
на рисунке выделено черным цветом). В июле в поверхностных слоях наблюдается
пересыщение воды кислородам в результате активного фотосинтеза в дневные часы.
Подобное распределение кислорода в вегетационный период наблюдается во всех
водохранилищах, что было подтверждено при съемках 2000 г.
Наблюдения 2000 года показали, что зоны аноксии в Истринском и Озернинском
водохранилищах значительно больше, чем в Можайском и Рузском. В Озернинском и,
особенно, в Истринском водохранилищах в пробах придонных слоев воды отчетливо
ощущался запах сероводорода. В Истринском водохранилище присутствие сероводорода
в придонных слоях было отмечено в летних и зимних съемках еще в начале 90-х годов.
По-видимому, явление сероводородного заражения гиполимниона для этого водохранилища
стало ежегодным. Можно отметить также, что в Рузском водохранилище зоны аноксии ко
второй съемке не увеличилась, а лишь переместилась в приплотинный участок,
а в Можайском водохранилище даже уменьшилась. Это связано, по-видимому, с локальными
гидродинамическими явлениями вертикального перемешивания вод.
В предыдущие годы столь подробных съемок кислородного распределения
в москворецких
водохранилищах
не
проводилось.
Эпизодические
наблюдения
за содержанием кислорода в придонных слоях водохранилищ в 70-е и 80-е годы, в которых
не наблюдались столь глубокие дефициты растворенного кислорода, позволяют
предположить, что возникновение и развитие зон аноксии водохранилищ в последнее
десятилетие заметно усилилось и стало типичным для периодов стратификации
водохранилищ.
Осеннее перемешивание приводит к выравниванию содержания растворенного
кислорода по глубине и его повышению от 60–70% до 90–95% насыщения в момент
замерзания водохранилищ. Зимой вновь образуется кислородная стратификация. В период
ледостава из-за практически полного отсутствия фотосинтеза и прекращения газообмена с
атмосферой концентрация в воде уменьшается и в конце зимы в придонном слое
глубоководных участков оно меньше 10% насыщения. Таким образом, бескислородные
условия в гиполимнионе достаточно типичны и для зимнего периода. Отсутствие
внутриводоемных источников кислорода в зимний период позволяет ориентировочно
оценить масштабы расходования кислорода на процессы деструкции органических веществ
в водохранилище. В результате расчетов баланса кислорода с использованием результатов
работы Д.В. Ломовой по оценке потребления кислорода грунтами водохранилища [51]
получено, что в зимний период 1984 года на деструкцию органического вещества было
израсходовано 1023 тонн кислорода, что при сопоставлении с балансом органического
вещества в этом году дает оценку окисления в водохранилище 38% аллохтонного
органического вещества.
Особенности изменения содержания растворенного кислорода по глубине в течение
вегетационного периода демонстрируют данные регулярных наблюдений на русловой
вертикали Красновидовского плеса Можайского водохранилища в 1999 году (рисунок 42).
119
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
-5
-10
Рисунок 42 – Распределение кислорода в течение летнего периода - с мая по сентябрь
(по оси «х» сутки, начиная от 1 мая. По оси «у» – глубина, м) в Можайском
водохранилище в 1999 году
Как уже указывалось, бескислородные условия в гиполимнионе водохранилищ, кроме
непосредственного влияние на особенности развития ихтиофауны водохранилищ, играют
важную роль в круговороте биогенных веществ, способствуя резкому увеличению потока их
минеральных форм из донных отложений, тем самым, поддерживая на высоком уровне
внутреннюю биогенную нагрузку экосистем.
Влияние кислородного режима ха содержание биогенных веществ в москворецких
водохранилищах хорошо иллюстрируют связи минеральных форм азота (аммонийный азот)
и фосфора с содержанием растворенного кислорода в придонным слоях водохранилищ,
полученные по данным многолетних наблюдений лабораторий МВК за качеством воды
в летний период (рисунок 42)
Тесно связано содержание растворенного кислорода и с таким важным
гидрохимическим показателем как величина рН. Генетическая обусловленность этой
зависимости связана с процессом фотосинтеза. Как известно, при интенсивном фотосинтезе
происходит подщелачивание среды и увеличение значений рН и в то же время растет
содержание кислорода, выделяемого фитопланктоном. Анализ таких связей в москворецких
водохранилищах показал, что они носят линейный характер, не зависят от синоптических
условий и характеризуются высокими значениями коэффициентов корреляции.
Таким образом, содержание и распределение растворенного кислорода в воде
водохранилищ является чувствительным показателем состояния их экосистем и может
эффективно использоваться в оценках качества воды и трофического состояния
водохранилищ – источников водоснабжения.
120
Концентрация фосфатов у дна, мг/л
0,35
0,3
0,25
R2 = 0,376
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
2
4
6
8
10
12
Концентрации аммонийного азота
у дна, мг/л
Содержание растворенного кислорода, мг/л
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
R 2 = 0,7309
0
5
10
15
Содержание растворенного кислорода у дна, мг/л
Рисунок 43 – Связи концентраций минеральных форм биогенных веществ
с содержанием кислорода в придонных слоях москворецких водохранилищ
в летний период
Трансформация речного химического стока водохранилищами. Рассматривая влияние
водохранилищ на сток химических веществ, важно различать два аспекта этого
влияния - непосредственное и косвенное. Первое из них, легко поддающееся учету,
заключается в единовременном удержании части речных вод вместе с растворенными
и взвешенными веществами при заполнении емкости водохранилищ. Косвенное влияние
регулирования на сток проявляется постоянно с момента заполнения водохранилища водой.
Оно связано с замедлением водообмена в речной системе и возникающей вследствие этого
трансформацией речного стока, которая состоит :
- в изменении годовой величины водного и теплового стока, стока растворенных и
взвешенных веществ;
- в изменении режима стока, во внутригодовом перераспределении перечисленных
компонентов стока;
- в изменении состава стока, концентрации и соотношения между минеральными и
органическими формами растворенных и взвешенных веществ, видового состава планктона,
что определяет изменение качества природных вод.
121
Известно, что средняя продолжительность пребывания речных вод в каждом из
москворецких водохранилищ составляет от нескольких месяцев до года и более. Вода
обновляется в них лишь на 70-80% за год и на 36-50% за отдельные сезоны (таблица 44).
Таблица 44 – Cреднее за многолетний период водообновление москворецких
водохранилищ, в % от объема воды в них в конце сезона (год)
Период
Можайское Рузское Озернинское Истринское Система
Весенний
50
43
43
43
45
Летне-осенний
46
40
39
42
42
Зимний
39
36
36
38
38
Год
81
74
73
75
76
Многолетние наблюдения за составляющими баланса растворенных и взвешенных
химических веществ на москворецких водохранилищах, главным образом на Можайском,
показывают, что характер трансформации стока сохраняется независимо от водности года,
хотя абсолютные значения объема стока и концентрации веществ в воде, а также
внутригодовое распределение стока изменяются от года к году.
Для оценки трансформации речного стока водохранилищами нами применен наиболее
корректный в методологическом отношении балансовый метод. В этих исследованиях
главное внимание уделено достижению возможно большей надежности всесторонней
количественной оценке трансформации речного стока за счет именно его регулирования
водохранилищами. Можайское водохранилище – особенно благоприятный объект
для изучения этого процесса, т.к. по нему имеются самые длительные и подробные ряды
измеренных параметров гидролого-гидрохимического режима. Кроме того, приток с 90%
его площади водосбора определяется гидрометрическими методами, что способствует
точности балансовых расчетов
Расчет баланса воды, растворенных и взвешенных веществ выполнялся за отдельные
фазы гидрологического года и за весь год в целом. Результаты расчетов показывают, что
благодаря водохранилищу существенно снижается сток и концентрация растворенных и
взвешенных минеральных и органических веществ (таблица 45).
В водохранилище осаждаются практически все речные наносы, накапливаются в
грунтах и частично минерализуются от 20 до 40% поступающих с водосбора ОВ, 60% Робщ,.,
30% Nобщ (таблица 46).
Тем не менее, улучшение питьевых качеств воды в нижнем бьефе происходит лишь в
половодье и крупные паводки. В намного более продолжительную межень мутность,
цветность, окисляемость воды, сбрасываемой из водохранилища заметно выше, чем
в питающих его реках. Таким образом, увеличение водных ресурсов в межень при сезонном
регулировании стока водохранилищами достигается ценой неизбежного некоторого
ухудшения качества воды. Очень важно, однако, что уменьшение размаха внутригодовых
колебаний показателей качества воды в нижних бьефах водохранилищ благоприятствует
организации технологических процессов водоподготовки на водопроводных станциях.
122
Таблица 45 – Трансформация стока
Можайском водохранилище [48]
минеральных
и
летне-осенние
межень
паводки
Приток в водохранилище
205
15
25
Компонент сток половодье
воды, 106 м3
растворенных
МВ, 103 т
растворенных
ОВ, 103 т
взвешенных
МВ, 103 т
взвешенных
ОВ, 103 т
веществ
зимняя
межень
за
год
15
260
24,2 (118)
5,9 (393)
7,8 (312)
7,8 (520)
45,7 (176)
3,56 (17,4)
0,15 (10,0)
0,35 (14,0)
0,13 (8,7)
4,19 (16,1)
14,5 (70,7)
0,07 (4,7)
0,16 (6,4)
0,07 (4,6)
14,8 (56,9)
2,6 (12,7)
0,03 (2,0)
0,14 (5,6)
0,03 (2,0)
2,8 (10,8)
79
20,5 (259)
273
51,1 (196)
0,7 (8,9)
3,50 (12,8)
0,35 (4,4)\
1,40 (5,2)
0,16 (2,0)
0,80 (2,9)
Сброс из водохранилища
воды, 10 м
63
131
растворенных МВ, 11,2 (118)
19,4 (148)
3
10 т
растворенных
0,84 (13,3)
1,96 (15,0)
3
ОВ,10 т
взвешенных
0,48 (7,6)
0,57 (4,4)
3
МВ,10 ,т
взвешенных
0,20 (3,2)
0,44 (3,4)
3
ОВ,10 ,т
6
органических
3
в
Таблица 46 – Содержание биогенных и органических веществ в воде притока и сброса
Можайского водохранилища по данным 1984 г
Приток
Сброс
Периоды
Робщ, Nобщ,
БО,
ПО,
Робщ, Nобщ,
БО,
ПО,
мкг/л
мг/л
мгО/л мгО/л мкг/л
мг/л
мгО/л мгО/л
весеннее
224
5,2
18,9
9,4
84
4,9
14,5
5,6
половодье
весенний
48
3,0
17,2
6,6
69
3,3
18,8
5,6
паводок
летние
158
3,2
25,0
10,6
70
2,7
11,7
6,1
паводки
летняя
77
3,6
14,9
6,4
65
2,9
16,0
6,1
межень
осенние
153
4,3
22,7
8,7
77
3,8
18,2
6,6
паводки
зимний
77
4,2
13,5
5,5
66
3,8
15,1
6,5
паводок
зимняя
90
4,1
9,2
3,6
68
3,4
14,6
8,2
межень
123
2.2.3 Гидрохимический режим Волжских водохранилищ
Наблюдения за качеством воды Волжского источника водоснабжения начались с
момента его ввода в действие с созданием Восточной водопроводной станции – в 1937 году.
До 1957 года наблюдения на водоисточнике ограничивались точками контроля во входном
створе Учинского водохранилища – Пестово, и в исходных точках подачи воды на станции.
С 1957 года программа контроля качества воды Волжского источника водоснабжения
г. Москвы была существенно расширена и охватила как пункты на канале им. Москвы, так и
в верховьях водоисточника, в притоках базового для формирования водных ресурсов
водоисточника – Иваньковского водохранилища.
Эта программа мониторинга с небольшими и непринципиальными изменениями
сохранена до настоящего времени. Определенным изменениям подвергался и перечень
контролируемых
показателей
качества
воды.
Если
гидробиологические
показатели - численность и видовой состав фитопланктона, численность и группы
зоопланктона и санитарно-бактериологические показатели – остались практически
неизменными на протяжении всего времени существования данного мониторинга,
то перечень химических анализов несколько видоизменялся. Кроме того, заметно изменялась
полнота контроля на отдельных станциях. Полную однородность информации в системе
мониторинга Волжского источника водсонабжения удалось сохранить лишь
для ограниченного
числа
пунктов
наблюдений,
среди
которых
основные
(опорные) - Пестово, водозабор Уча, ЛГЭС, 1 п/п, Городня, р. Волга и р. Тверца. Некоторые
достаточно однородные, хотя и относительно короткие ряды имеются для пунктов Икша,
13 п/п, 7 п/п, водозабор СВС на Клязьминскм водохранилище. Общее представление о
действии пунктов контроля лаборатории МВК на Волжском водоисточнике дает таблица 47.
Частота контроля качества воды в рассматриваемой системе мониторинга колеблется
от 2 раз в месяц (минимум) до ежедневного контроля. В водохранилищах водораздельного
бьефа и в верховьях водоисточника контроль проводился 2 раза в месяц. В Пестово и
у водозабора Уча полный анализ – 2 раза в месяц, анализ кроме короткого – 4 раза в месяц,
короткий анализ – 9-11 раз в месяц. В пункте ЛГЭС анализ короткий анализ проводится
ежедневно. У водозабора СВС Клязьма контроль проводится 4 раза в месяц.
Учитывая разную частоту контроля в разных точках водоисточника, при анализе
результатов многолетних наблюдений использовалось обобщение среднемесячных значений
параметров качества воды.
Статистические характеристики многолетних изменений химического состава воды.
Все показатели качества воды относятся к дискретным случайным величинам. Наиболее
общей и полной характеристикой случайной величины является ее функция распределения
вероятностей. Поскольку на практике мы всегда имеем дело с выборочными дискретными
рядами наблюдений за показателями качества воды, то одной из важнейших задач первичной
статистической обработки этих рядов становится построение выборочного (эмпирического)
распределения нашей анализируемой величины и сопоставление с известными
теоретическими распределениями. По определенным критериям можно подобрать наиболее
близкое теоретическое распределение и считать, что наша анализируемая величина
подчиняется этому распределению. Установив тип распределения (наиболее
соответствующий по критериям нашему эмпирическому распределению) мы можем
анализировать числовые характеристики этого распределения применительно к нашему
124
ряду. В теории вероятностей и ее практических приложениях большую роль играют эти
частные числовые характеристики, которые в компактной форме дают представление
о важнейших свойствах случайной величины. В качестве критериев совпадения
эмпирической и теоретической функции распределения используют различные расчетные
характеристики, но самые распространенные из них – это критерий хи-квадрат и критерий
Колмогорова-Смирнова.
Таблица 47 – Пункты контроля качества воды системы мониторинга Волжского
источника водоснабжения
Период
№п/п
Водный объект
Пункт контроля
Примечание
контроля
1
р. Волга
г. Тверь
1957–2005
2
р. Тверца
г. Тверь
1957–2005
3
Иваньковское
д. Городня
1957–2005
водохранилище
4
Иваньковское
1 пар. переправа
1957–2005
водохранилище
5
Канал им. Москвы
Наблюдения
7 пар. переправа
1957–1990
прекращены
6
Икшинское
Шлюз №6
1982–2005
водохранилище
7
Канал им. Москвы
С 1996 года
(Пяловское
отсутствуют
13 пар. переправа
1958–2004
водохранилище)
наблюдения в
зимний период
8
Клязьминское
д. Чиверево
1986–2004
водохранилище
9
Клязьминское
Водозабор СВС
1981–2004
водохранилище
10
Пестовское, Учинское
Пестово
1938–2004
водохранилище
11
Учинское
Водозабор СВС
1954–2004
водохранилище
12
Учинское
Листвянская ГЭС (ЛГЭС)
1938–2004
водохранилище
На рисунке 44 приведены примеры полученных распределений для пункта
наблюдений – Пестово. На этих рисунках по оси абсцисс – значение переменной, по оси
ординат – значения плотности распределения вероятностей анализируемой переменной.
125
Рисунок 44 – Эмпирические гистограммы и соответствующие им теоретические
кривые плотности распределения вероятностей показателей качества воды в Пестово
по среднемесячным многолетним (1957-2004гг.) данным
126
Типы полученных распределений и их основные числовые характеристики обобщены
в таблице 48.
Таблица 48 – Характеристики статистических распределений показателей качества
воды
Железо
3
0,27
0,41
Коэффициент
вариации
4
0,56
0,49
Тип
распределения
5
Пирсон 6
ЭкстримВэлью
560
0,33
0,47
Логнормальное
569
390
276
524
576
0,27
0,28
0,24
0,27
0,25
0,51
0,52
0,11
0,51
0,50
ЭкстримВэлью
ЭкстримВэлью
Гамма
Гамма
Бэта
83
0,20
0,38
Вейбулл
0,56
0,51
0,52
Пирсон 5
Гамма
ЭкстримВэлью
6,78
6,21
8,38
Коэффициент
вариации
0,44
0,50
0,42
Тип
распределения
Нормальное
Вейбулл
Нормальное
569
390
276
524
576
83
7,24
6,70
9,06
7,36
7,42
10,79
0,47
0,53
0,24
0,47
0,44
0,19
Бэта
Бэта
Вейбулл
Нормальное
Вейбулл
Бэта
288
576
576
9,84
7,40
7,34
Нитраты
0,25
0,40
0,39
Бэта
Бэта
Бэта
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
560
557
0,28
0,21
Коэффициент
вариации
0,11
0,19
Тип
распределения
Гамма
Гамма
560
0,27
0,14
Гамма
569
390
276
524
0,25
0,22
0,36
0,26
0,08
0,09
0,06
0,09
Гамма
Пирсон 6
Логнормальное
Вейбулл
Пункт
Длина ряда
Среднее
1
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
2
560
557
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
560
288
576
576
0,19
0,17
0,15
Хлориды
127
Продолжение таблицы 48
1
2
Пестово
576
Клязьминское
83
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
288
Водозабор Уча
576
ЛГЭС
576
3
0,27
4
0,09
5
Вейбулл
0,38
0,20
Гамма
0,06
0,07
0,06
Вейбулл
Гамма
Гамма
Тип
распределения
Бэта
Пирсон 6
0,34
0,27
0,28
Нитриты
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
0,005
0,005
Коэффициент
вариации
0,15
0,16
560
0,007
0,22
Логнормальное
569
390
276
524
576
0,006
0,005
0,007
0,006
0,006
0,18
0,15
0,11
0,12
0,13
Пирсон 6
Логнормальное
Бэта
Вейбулл
Вейбулл
83
0,011
0,12
Гамма
288
576
576
0,008
0,006
0,006
Аммонийный ион
0,12
0,11
0,12
Вейбулл
Вейбулл
Вейбулл
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
0,28
0,33
Коэффициент
вариации
0,14
0,16
Тип
распределения
Бэта
Пирсон 6
560
0,58
0,17
Логнормальное
569
390
276
524
576
0,38
0,36
0,41
0,37
0,32
0,07
0,08
0,06
0,15
0,08
Пирсон 6
Гамма
ЭкстримВэлью
Вейбулл
Вейбулл
83
0,36
0,06
Гамма
288
576
576
0,35
0,24
0,23
Фосфаты
0,05
0,05
0,05
Бэта
Вейбулл
Вейбулл
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
560
557
0,094
0,069
Коэффициент
вариации
1,01
0,82
Тип
распределения
Экспо
Вейбулл
560
0,124
0,71
Бэта
569
0,095
0,74
Триангул
128
Продолжение таблицы 48
1
2
Канал – 7 п.п.
390
Канал – Икша
276
Канал – 13 п.п.
524
Пестово
576
Клязьминское
83
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
288
Водозабор Уча
576
ЛГЭС
576
3
0,075
0,154
0,095
0,086
4
0,89
0,30
0,81
0,77
5
Бэта
Логистик
Бэта
Триангул
0,134
0,56
Логнормальное
0,129
0,081
0,076
рН
0,52
0,85
0,80
Вейбулл
Бэта
Триангул
Тип
распределения
Логнормальное
Логнормальное
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
7,87
7,77
Коэффициент
вариации
0,04
0,04
560
7,78
0,04
Нормальное
569
390
276
524
576
7,79
7,78
7,84
7,86
7,87
0,03
0,03
0,03
0,04
0,04
Нормальное
Логистик
Нормальное
Логистик
Логистик
83
7,92
0,04
Вейбулл
288
576
576
7,95
7,83
7,82
ХПК
0,05
0,03
0,03
Логистик
Логнормальное
логнормальное
Пункт
Длина ряда
Среднее
Коэффициент
вариации
Тип
распределения
392
28,7
0,17
Нормальное
399
28,0
0,16
Нормальное
218
264
390
26,8
27,3
26,8
0,16
0,17
0,15
Нормальное
Логистик
Логистик
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
Пункт
Логистик
283
389
418
25,7
25,2
25,0
БПК
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
129
0,14
0,14
0,14
Вейбулл
Логистик
Логнормальное
Коэффициент
вариации
Тип
распределения
р. Тверца – г. Тверь
Продолжение таблицы 48
1
2
Иваньковское
351
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
357
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
360
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
360
ЛГЭС
360
3
1,85
4
0,36
5
Нормальное
1,73
0,34
Нормальное
1,60
0,33
Логистик
1,50
1,51
Жесткость
0,32
0,32
Логистик
Логнормальное
Тип
распределения
ИнверсГаусс
Логистик
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
2,7
2,7
Коэффициент
вариации
0,25
0,21
560
2,7
0,23
Гамма
569
390
276
524
576
2,5
2,6
2,6
2,5
2,6
0,24
0,26
0,21
0,23
0,22
Гамма
Логнормальное
Пирсон 6
Гамма
Нормальное
83
2,6
0,26
Логистик
0,18
0,18
0,17
Пирсон 5
ЭкстримВэлью
Бэта
Пункт
Длина ряда
Среднее
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
Канал – 13 п.п.
Пестово
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
Водозабор Уча
ЛГЭС
560
557
9,3
8,7
Коэффициент
вариации
0,19
0,19
Тип
распределения
Гамма
Вейбулл
560
8,7
0,20
Нормальное
569
390
276
524
576
8,6
8,7
8,8
9,1
9,1
0,23
0,25
0,18
0,19
0,18
Логистик
Логистик
Гамма
Гамма
Логнормальное
83
9,4
0,16
Бэта
0,18
0,21
0,21
Нормальное
Нормальное
Нормальное
288
576
576
288
576
576
2,5
2,6
2,5
Кислород
8,7
8,8
8,8
Нефтепродукты
130
Продолжение таблицы 48
1
2
Пункт
Длина ряда
3
Среднее
4
Коэффициент
вариации
5
Тип
распределения
р. Волга – г. Тверь
р. Тверца – г. Тверь
Иваньковское
261
0,14
0,98
Экспо
в-ще – д. Городня
Канал – 1 п.п.
290
0,12
1,08
Логнормальное
Канал – 7 п.п.
Канал – Икша
181
0,13
1,75
Логистик
Канал – 13 п.п.
293
0,17
2,07
Логистик
Пестово
310
0,11
0,92
Вейбулл
Клязьминское
в-ще – д. Чиверево
Водозабор Клязьма
245
0,11
0,94
Экспо
Водозабор Уча
310
0,09
0,96
Экспо
ЛГЭС
310
0,09
0,97
Логнормальное
Большинство определенных нами теоретических типов распределений имеют ярко
выраженный асимметричный характер (Вейбулл, Пирсон, Бэта, ИнверсГаусс,
ЭкстримВэлью, Экспо). Такие распределения во всех пунктах наблюдений наблюдаются для
всех биогенных элементов, железа, марганца. Скошенность асимметрии практически во всех
определениях правая, т.е. вероятность появления экстремально высоких значений больше,
чем экстремально низких. Нормальное и близкие к нормальному распределения (Гамма,
Логнормальное, Логистик) отмечены для концентраций растворенного кислорода (в
Учинском водохранилище эти распределения относятся к нормальным), для рН,
в большинстве пунктов для БПК и ХПК.
Из статистических характеристик наибольшее значение для анализа наших рядов
наблюдений имеют среднемноголетние значения и величина коэффициента вариации.
Характеризующий степень изменчивости показателя коэффициент вариации имеет
максимальные значения для нефтепродуктов и фосфатов. При этом степень изменчивости
этих показателей незначительно изменяется от верховьев водоисточника до Учинского
водохранилища. Если высокая изменчивость нефтепродуктов связана в основном
со случайностью попадания и распределения нефтепродуктов в природных водах,
то изменчивость фосфатов обусловлена очень быстрой оборачиваемостью минерального
фосфора при напряженных биологических и биохимических процессах в водоеме
в вегетационный период. Минимальный коэффициент вариации характерен для величины рН
(это связано со сравнительно небольшим диапазоном изменений величины рН по сравнению
с их абсолютными значениями) и для нитратов, как наиболее инертной формы минерального
азота. Изменчивость показателей солевого состава воды – жесткости и хлоридов – заметно
снижается от притоков Иваньковского водохранилища к водохранилищам водораздельного
бьефа и Учинскому водохранилищу вследствие сглаживания колебаний концентраций этих
консервативных показателей при замедлении водообмена. Характеристики органического
вещества – ХПК и БПК – имеют небольшую изменчивость и их колебания также
сглаживаются к водозаборам водопроводных станций. Наконец железо и марганец
131
характеризуются средней изменчивостью, при этом величина коэффициента вариации почти
не изменяется в различных пунктах водоисточника.
Трансформация качества воды в водных объектах Волжской системы водоснабжения.
Изменения среднемноголетних значений показателей качества воды Степень трансформации
химического состава воды и показателей качества воды в системе Волжского водоисточника
характеризуют изменения среднемноголетних значений показателей качества воды.
При длительных рядах наблюдений изменения средних отражают наиболее общие
закономерности пространственной трансформации качества воды в системе различных
водных объектов. Однако, корректное сравнение среднемноголетних значений показателей
возможно только при одинаковой длительности рядов наблюдений. В системе Волжского
водоисточника максимальной (и одинаковой) длительностью характеризуются ряды
наблюдений
в
пунктах
р. Волга – г. Тверь,
р. Тверца – г. Тверь,
Иваньковское
водохранилище – д. Городня,
Канал
им. Москвы – 1 п/п,
Канал им. Москвы - 13 п/п,
Водохранилища
водораздела – Пестово,
Учинское
водохранилище – водозабор Уча,
Учинское водохранилище – ЛГЭС. Изменения среднемноголетних значений показателей
качества воды по этим пунктам представлены на графиках на рисунке 45.
Показатели качества воды в той или иной степени связанные с антропогенным
загрязнением – фосфаты, аммонийный ион, хлориды, БПК – имеют максимальные значения
в пункте Городня. Это, несомненно, самый загрязненный участок водоисточника, поскольку
в этом месте на состояние качества воды сказываются сточные воды г. Тверь – самого
крупного населенного пункта в системе водоистчоника. Исключение составляет такой
типичный показатель антропогенного загрязнения как нефтепродукты, максимум которых
отмечен в узкой части судоходного канала, соединяющей Пестовское и Пяловское
водохранилища – пункт 13 п/п. Вероятность обнаружения здесь нефтяных загрязнений очень
велика, поскольку при интенсивном судоходстве самоочищение в узких частях канала
протекает слабо. Аммонийный ион и фосфаты заметно снижаются к Учинскому
водохранилищу и, особенно, в последнем. Хлориды после явно антропогенного максимума в
Городне снижаются к приплотинному участку Иваньковского водохранилища за счет, повидимому, прямого разбавления загрязненных вод Волги ниже г. Тверь боковыми притоками
водохранилища. В дальнейшем концентрации консервативных хлоридов остаются на
постоянном уровне, также как и жесткость воды. Снижаются по тракту водоисточника
концентрации железа, марганца, уменьшается общее содержание органического вещества
(по ХПК), но остаются почти неизменными нитриты, а нитраты даже несколько повышаются
к водозаборам станций вследствие интенсивных окислительных процессов в
водохранилищах.
Обобщение многолетних данных наблюдений позволяет проанализировать общие
закономерности изменений качества воды во времени. Эти изменения рассматриваются
в двух аспектах – внутригодовые (сезонные) колебания показателей качества воды
и тенденции многолетних изменений этих показателей.
132
133
С
ЛГ
Э
С
ХПК
а
Аммонийный ион
Уч
ес
то
во
п.
п.
ол
га
ер
ца
д.
Го
ро
дн
я
1
п.
п.
13
п.
п
П
ес .
то
во
Вр
Уч
а
ЛГ
Э
С
р.
Тв
р.
В
ол
га
ер
ца
д.
Го
ро
дн
я
1
п.
п.
13
п.
п
П
ес .
то
во
Вр
Уч
а
ЛГ
Э
С
р.
Тв
р.
В
В-р Уча
Нитраты
Вр
П
1
30
28
26
24
22
ЛГ
Э
С
а
0.8
0.6
0.4
0.2
0
а
д.
Го
ро
дн
я
ЛГ
Э
Уч
13 п.п.
д.Город
ня
р.Волга
0.3
0.2
0.1
0
Уч
ес
то
во
п.
п.
п.
п.
Вр
ес
то
во
п.
п.
п.
п.
ол
га
ер
ца
д.
Го
ро
дн
я
1
п.
п.
13
п.
п.
П
ес
то
во
Вр
Уч
а
ЛГ
Э
С
р.
Тв
р.
В
ол
га
ер
ца
д.
Го
ро
дн
я
1
п.
п.
13
п.
п.
П
ес
то
во
Вр
Уч
а
ЛГ
Э
С
13
п.
п
ес .
то
во
Вр
Уч
а
ЛГ
Э
С
П
1
п.
п.
ол
га
ер
ца
д.
Го
ро
дн
я
р.
Тв
р.
В
р.
Тв
р.
В
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Вр
П
13
1
д.
Го
ро
дн
я
П
13
1
д.
Го
ро
дн
я
Железо
Хлориды
10
8
6
4
2
0
Нитриты
0.008
0.006
0.004
0.002
0
Фосфаты
0.15
0.1
0.05
0
БПК
2
1.5
1
0.5
0
Нефтепродукты
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Рисунок 45 – Изменение среднемноголетних значений в различных пунктах Волжского
водоисточника
Сезонные изменения показателей качества воды. Для анализа закономерностей
сезонных изменений качества воды используются типовые графики внутригодовых
колебаний качества воды по месяцам. Эти графики строятся по данным осреднения
многолетних рядов среднемесячные значений для каждого месяца. Закономерности сезонных
колебаний качества воды рассматриваются на примере пункта Пестово, по которому, как уже
указывалось имеются наиболее длительные ряды и который можно считать наиболее
репрезентативным при анализе качества воды водохранилищ водораздельного бьефа
(рисунки 46–48).
Большинство рассмотренных показателей имеют максимальные значения в зимний
период и минимальные летом. Для показателей солевого состава воды – хлориды, жесткость
(это же относится и к нерассматриваемым здесь щелочности, концентрациям главных ионов)
зимний максимум обусловлен переходом рек на подземное питание, а весенний
минимум - заполнением водоемов маломинерализованными водами весеннего половодья
(в Пестово он наблюдается с запаздыванием и соответствует периоду поступления в
водохранилища водораздельного бьефа вод половодья Верхней Волги). Снижение
концентраций биогенных элементов в летний период связан с потреблением их
фитопланктоном в период вегетации. Обращает внимание увеличение концентраций
нитритов на фоне отчетливо выраженных минимумов аммонийного азота и нитратов.
Нитриты – переходная форма азота и их максимум совпадает, как правило, с периодом
напряженных биохимических процессов окисления в водоеме, наблюдаемых в период
вегетации. Максимум рН в летний период соответствует периоду активного фотосинтеза,
при котором вода водоема подщелачивается, что отражается на увеличении рН. Максимум
мутности весной отмечается именно в апреле (минимум минерализации в мае-июне), что
связано с влиянием притоков водораздельного бьефа на фоне поступающих из канала уже
осветленных в Иваньковском водохранилище вод Волги и Тверцы. Железо и марганец
имеют максимальные концентрации весной, нефтепродукты распределены по сезонам
примерно равномерно, почти одинаково в течении года и содержании органического
вещества (по ПО и ХПК), наконец БПК весной и летом несколько выше, чем зимой, что
может быть связано как с весенними загрязнениями, так и с повышением БПК в результате
продуцирования лабильного органического автохтонного вещества. Отмеченные сезонные
колебания химических показателей качества воды в водоисточнике носят закономерный
характер и вполне соответствуют общим представлениям об интенсивности и
направленности природных процессов в экосистемах водоемов. Водохранилища
водораздельного бьефа не проявляют никаких специфических особенностей внутригодового
режима качества воды.
134
Железо общее
Жесткость
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1
3
5
7
9
1
11
3
5
7
9
11
7
9
11
БПК
Хлориды
2.5
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
2.0
1.5
1.0
0.5
1
3
5
7
9
0.0
11
1
3
5
Рисунок 46 – Внутригодовые изменения железа, жесткости, хлоридов и БПК в Пестово
Аммонийный ион
Нитраты
0.60
2.0
0.50
1.5
0.40
0.30
1.0
0.20
0.5
0.10
0.00
0.0
1
3
5
7
9
1
11
Нитриты
3
5
7
5
7
9
11
9
11
Фосфаты
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
1
3
9
0.140
0.120
0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0.000
11
1
3
5
7
Рисунок 47 – Внутригодовые изменения концентраций биогенных веществ в Пестово
135
Мутность
рН
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
8.20
8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
1
3
5
7
9
11
1
ПО
3
5
7
9
11
9
11
Нефтепродукты
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
1
3
5
7
9
11
1
3
5
7
Рисунок 48 – Внутригодовые изменения мутности, рН, ПО и нефтепродуктов в Пестово
Тенденции изменений показателей качества воды водоисточника. Многолетние
изменения показателей качества воды также анализируются нами на примере пункта
Пестово. Совершенно очевидно, что выявленные по этому пункту тенденции характерны и
для других пунктов, поскольку резких колебаний процессов трансформации качества воды
по тракту водоисточника не наблюдалось. Тенденции качества воды по пункту Пестово
представлены на рисунках 49, 50 и 51. На рисунках сохранены величины тесноты связи,
характеризующие в данном случае крутизну наклона линии тренда.
136
Железо
R2 = 0.1959
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
2000
1 1960
3 5 7 9 111970
13 15 17 19 211980
23 25 27 29 311990
33 35 37 39 41
43 45 47
Хлориды
R2 = 0.5734
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
1970
1990
1 1960
3 5 7 9 11 13
15 17 19 21 1980
23 25 27 29 31 33
35 37 39 41 2000
43 45 47
Рисунок 49 – Тенденции железа и хлоридов за период 1957–2004 гг. в Пестово
137
Нитраты
0.60
2
R = 0.7248
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1 1960
4
10 1970
13 16 19 1980
22 25
7
1990
28 31
34
37 402000
43 46
Нитриты
0.014
R2 = 0.1023
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000
1980
1990
1 1960
3 5 7 9 111970
13 15 17 19 21
23 25 27 29 31
33 35 37 39 2000
41 43 45 47
Аммонийный ион
0.80
0.70
2
R = 0.004
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1
1960
3
5
7
1970
1980
1990
2000
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
Рисунок 50 – Тенденции нитратов, нитритов и аммонийного иона
за период 1957–2004 гг. в Пестово
138
Фосфаты
R2 = 0.7765
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
1 1960
3 5 7 9 11 1970
13 15 17 19 211980
23 25 27 29 31 1990
33 35 37 39 412000
43 45 47
Перманганатная окисляемость
R2 = 0.0027
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
1970
1990
1 1960
3 5 7 9 11 13
15 17 19 21 1980
23 25 27 29 31 33
35 37 39 412000
43 45 47
Жесткость
R2 = 0.023
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
2000
1 1960
3 5 7 9 11 1970
13 15 17 19 211980
23 25 27 29 31 1990
33 35 37 39 41
43 45 47
Рисунок 51 – Тенденции фосфатов, перманганатной окисляемости и жесткости
за 1957-2004 гг. в Пестово
Большинство приведенных показателей обнаруживают отчетливо выраженную
тенденцию роста концентраций. Наиболее резкие тенденции характерны для фосфатов,
нитратов, далее следуют хлориды. Понижение концентраций с течением времени
139
наблюдается только для железа. Обнаруженные тенденции трудно поддаются
интерпретации. Хлориды и фосфаты однозначно связаны с антропогенным загрязнением, как
это было показано при анализе среднемноголетних значений, но не менее определенно
обусловлены загрязнениями и концентрации аммонийного азота, которые однако
не проявляют тенденции к росту. Отсутствие тенденций перманганатной окисляемости
и жесткости в очередной раз указывает на то, что эти показатели, а также другие, связанные
с водным стоком, в многолетнем аспекте изменяются также как и водный сток.
На рисунке 52 показано, что водный сток р. Волги имеет очень слабую тенденцию роста.
Слабые изменения водного стока предопределили отсутствие направленных многолетних
изменений ряда связанных со стоком показателей.
р.Волга-г.Старица
2
R = 0.0639
300
250
200
150
100
50
0
11960
4
2000
7 101970
13 16 191980
22 25 281990
31 34 37
40 43
Рисунок 52 – Тенденция среднегодовых расходов воды р. Волга у г. Старица
Характеристика пространственной неоднородности химического состава вод
водохранилищ водораздельного бьефа по данным синхронных съемок 2005 г. Для изучения
пространственных неоднородностей состава воды в водохранилищах обычно используется
методология синхронных гидролого–гидрохимических съемок (ГГСС). Применение ГГСС
позволяет установить распределение показателей качества воды в водоеме, определяемое
гидрологической структурой водоема в момент проведения съемки. В водохранилищах
наиболее значительные неоднородности наблюдаются в плоскости X – Z (горизонтальновертикальное направление), что обусловлено формой чаши водохранилищ, создающихся, как
правило, при затоплении речной долины. Поперечные изменения при этом игнорируются,
что в большинстве случаев вполне оправдано. Хорошо известные лимнологам поперечные
циркуляции в водохранилищах, возникающие при ветрах поперечного направления, обычно
имеют синоптический, а то и суточный временной масштаб и не играют большой роли при
исследовании сезонных изменений состава вод. Поэтому обычно сеть наблюдений в
водохранилищах представляет собой равномерно распределенные вдоль затопленного русла
точки наблюдении, в которых проводится учащенное зондирование показателей качества
воды и отбор проб воды. В сложнодолинных водохранилищах (Учинское) возникает
необходимость дополнить точки наблюдений по основной продольной оси X – Z точками
наблюдений в заливах или обособленных частях долины.
Главная гидродинамическая особенность водохранилищ водораздельного бьефа
состоит в том, что почти во всех них, за исключением небольшого транзитного Икшинского,
140
основной поток вод пересекает долины рек, послуживших ложем этих водохранилищ. Кроме
того, в Пяловском и Пестовском водохранилищах имеются относительно обособленные
заливы (Аксаковский и Тишковской). Таким образом, каждое из этих водохранилищ имеет
свои отличительные черты, определяющие гидродинамические особенности перемещения
вод в них:
- в Икшинском и Пестовском водохранилищах в верхней части долины приток
обеспечивается перекачкой воды из канала им. Москвы,
- в Пестовском водохранилище имеет место раздвоение потока на питание канала и
питание Учинского водохранилища,
- в Пяловском водохранилище основной приток (канал) пересекает долину примерно
в центральной ее части, при этом даже небольшой санитарный сброс воды через плотину
отсутствует, а верхняя часть долины водохранилища питается водами небольшого
притока - р. Учи,
- Учинское водохранилище относится к типу сложнодолинных водохранилищ
(образованных при затоплении двух и более смежных речных долин), но одна из этих долин
(Учинская) не имеет притока, а весь приток осуществляется через верхнюю его часть
(по долине р. Вязь),
- в Учинском водохранилище отток воды происходит как в центральной, так и
в приплотинной частях ложа,
- Клязьминское водохранилище, также как и Пяловское пересекается основным
потоком канала в центральной части, при этом длинный приплотинный участок
водохранилища (называемый нередко Пироговским водохранилищем) имеет два стока:
водозабор СВС и санитарный сброс через плотину.
Эти гидролого-морфометрические особенности водохранилищ водораздельного бьефа
существенно усложняют гидродинамику вод, об особенностях которой в этих
водохранилищах сведения практически отсутствуют (за исключением наиболее изученного
Учинского) [52, 53].
Пространственная неоднородность состава воды в водохранилищах водораздельного
бьефа анализируется по данным 3-х гидролого-гидрохимических синхронных съемок:
- в зимний период
- поздней весной, после заполнения водохранилищ водой половодья и начала периода
летней стагнации,
- в конце лета в период активного развития биологических процессов.
Химический анализ проб предусматривал стандартный комплекс определений,
включающий биогенные и органические вещества, полный солевой анализ и некоторые
металлы.
Съемка в зимний период. Основная цель зимних съемок связана с особенностями
гидрохимического режима водоемов умеренной зоны, которые состоят в том, что именно
в этот период могут наблюдаться максимальные значения содержания минеральных форм
биогенных элементов в водоеме. С прекращением поверхностной аэрации при ледоставе
в водных массах высокопродуктивных водоемов быстро истощается растворенный кислород.
Возникновение восстановительной обстановки в водной среде приводит к резкому
возрастанию диффузионного потока со дна биогенных элементов – в первую очередь азота
и фосфора. Это явление может иметь локальный характер и как дефициты кислорода, так
141
и потоки биогенов оказываются обычно пространственно неоднородны. Поэтому выявить
наличие и масштаб кислородных дефицитов в зимний период и есть основная цель зимних
съемок. Заметим, что изменения минерализации воды и показателей солевого состава,
а также органического вещества природного происхождения, характеризуемого в нашем
водоисточнике величиной перманганатной окисляемости зимой изменяются только
в соответствии с общей закономерностью изменения источников водного питания рек,
а именно – минерализация увеличивается по сравнению с летним периодом. Органическое
вещество обычно имеет минимальное содержание в грунтовых водах, но в волжском
водоисточнике нередко величина зимней органики (цветности) оказывалась велика.
Как видно из результатов проведенного гидрохимического обследования, главный
показатель качества воды в зимний период – растворенный кислород (РК) распределен
по водохранилищу и по вертикали водной толщи относительно равномерно. Величины РК
варьируют в небольших пределах вблизи значений 70-80% насыщения. Это достаточные
концентрации, чтобы поддерживать окислительную обстановку в водной толще и,
соответственно, препятствовать образованию интенсивных диффузионных потоков
из донных отложений. Поэтому распределение минеральных форм достаточно равномерно
как по водоемам, так и по вертикали водной толщи, хотя содержание биогенных элементов
в целом повышено по сравнению с летним периодом. Резкое повышение биогенов, а также
железа и марганца в придонной пробе в районе д. Чиверево, вероятно всего связано
с попаданием в пробу придонной взвеси, о чем свидетельствует высокая мутность пробы.
Ярко выраженное увеличение ко дну обнаруживает электропроводность воды, однако такое
распределение электропроводности не выходит за рамки обычных для этого сезона
закономерностей пространственного распределения минерализации воды в водохранилищах.
Также заметна и вертикальная стратификация марганца во всех водохранилищах. Однако
обращает на себя внимание тот факт, что вертикальная стратификация марганца
в водохранилищах водораздельного бьефа значительно более ярко выражена, чем
в Учинском. Особенности режима марганца в Учинском водохранилище еще предстоит
исследовать. В распределении цветности воды, перманганатной окисляемости и величин рН
отклонений от известных закономерностей не отмечено.
Причиной достаточно хорошей аэрации вод водохранилищ вполне может быть
деятельность любителей зимней рыбалки. Многочисленные лунки рыбаков несомненно
способствуют обогащению вод водоемов кислородом. Специальных исследований этого
вопроса не проводилось, но подобное предположение высказывается не впервые,
по-видимому, не лишено оснований.
Съемки в летний период. Распределение электропроводности воды по данным первой
(майской) съемки представлено на рисунке 53.
142
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï åñòî âî , êì
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Ãëóáèí à, ì
0.0
-5.0
-10.0
àññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï ÿëî âî , êì
Ãëóáèí à, ì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
-5.0
Ðàññòî ÿí èå î ò ñòâî ðà âî äî çàáî ðà ÑÂÑ, êì
Ãëóáèí à, ì
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
-5.0
Рисунок 53 – Распределение электропроводности воды по данным ГГСС водохранилищ
водораздельного бьефа в мае 2005 г
В Пестовском водохранилище, также как в небольшом и сильно проточном
Икшинском, электропроводность по длине практически однородна. Повышение
электропроводности в придонных слоях приплотинного участка Пестовского водохранилища
(наиболее глубокой станции всей съемки) обусловлено обычным для стратифицированных и
глубоких водохранилищ формированием очага вод повышенной минерализации,
в придонным слоях. Эта водная масса образуется как вследствие выщелачивания солей
из донных отложений, так и, возможно, сохранением остатков зимних высоко
минерализованных вод в глубоких слоях водохранилища.
143
Максимальные градиенты электропроводности воды наблюдаются в Пяловском
водохранилище. Во-первых, следует отметить, что станция 6 в Аксаковском заливе имела
глубину почти такую же, как в центральной части водохранилище, т.е. располагалась
в русловой части р. Учи. На этой станции электропроводность по вертикали распределялась
аномально с промежуточным максимумом (рисунок 54).
Электропроводность, мкСм/см
0
100
200
300
400
500
600
0
Глубина, м
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
Рисунок 54 – Распределение электропроводности по вертикали в Пяловском
водохранилище в мае 2005 г.
Наличие этого промежуточного максимума, а также исключительно высокие
вертикальные
градиенты
электропроводности
(перепад
электропроводности
превышает 200 мкСм/см) свидетельствует о том, что в период съемки наблюдалось ярко
выраженное плотностное течение. Воды р. Учи распространялись в Пяловском
водохранилище в средних по глубине слоях практически не перемешиваясь с водами
водохранилища. Отсутствию перемешивания способствовала сохранявшаяся довольно
длительное время перед съемкой безветренная погода, защищенность Аксаковского залива
от ветрового воздействия и относительно глубокий врез русла р. Уча. «Слоеный пирог»
электропроводности хорошо прослеживается в виде изгибов изолиний электропроводности
на графике (рисунок 54) С такими плотностными потоками загрязнения речных вод Учи
могут переноситься на значительные расстояния и, хотя достигнуть водозабора СВС такой
поток не может даже теоретически, эффект самоочищения водохранилища от загрязнений
заметно снижается.
В центральной части Пяловского и Клязьминского водохранилищ проявляется
минимум электропроводности связанный с доминированием в этих частях водохранилищ
половодья Верхней Волги, перекачанных по каналу и транзитом прошедших через
Икшинское и Пяловское водохранилище. При этом в Пяловском водохранилище эти воды,
видимо, проникли и к плотине, снизив горизонтальные градиенты электропроводности до
величин всего около 20 мкСм (на весь участок от центра водохранилища до плотины).
По-видимому, конфигурация ложа Пяловского водохранилища не препятствует быстрому
заполнению водохранилища волжскими водами. Несколько иная картина наблюдается
в Клязьминском водохранилище. Здесь градиенты электропроводности на сравнительно
небольшом участке от канала до водозабора СВС значительно выше. Особенности
144
гидродинамики потока в Клязьминском водохранилище проявляются в более застойном
характере вод приплотинного участка (и района водозабора). Следовательно, влияние вод
канала здесь ниже, чем в Пяловском и, тем более, Пестовском водохранилищах.
Это несомненно негативный факт, поскольку испытывающие значительную антропогенную
рекреационную нагрузку воды Клязьминского водохранилища в районе водозабора СВС
медленнее разбавляются водами канала.
Распределение температуры воды по данным этой же съемки представлено на
рисунке 55.
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï åñòî âî , êì
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Ãëóáèí à, ì
0.0
-5.0
-10.0
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï ÿëî âî , êì
Ãëóáèí à, ì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
-5.0
Ðàññòî ÿí èå î ò ñòâî ðà âî äî çàáî ðà ÑÂÑ, êì
Ãëóáèí à, ì
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
-5.0
Рисунок 55 – Распределение температуры воды в водохранилищах водораздельного
бьефа в мае 2005 г.
145
Во всех водохранилищах в период съемки отмечена вертикальная стратификация.
Но если в Пестовском и Клязьминском водохранилищах в мае слой скачка располагается
глубоко (в Пестовском на глубине 8 м, в Клязьминском у водозабора СВС также
на глубине 8 м). Водные массы этих водохранилищ интенсивно перемешиваются, поэтому
слоя температурного скачка так быстро заглубляется. Это же относится и к Пяловскому
водохранилищу, но только к его центральной и приплотинной частей. В Аксаковском заливе
резкие градиенты температуры отмечены уже на глубине 4 метра. Это хорошо согласуется
с данными по электропроводности на этой станции, которые свидетельствуют об очень
слабом перемешивании вод залива.
Результаты ГГСС Учинского водохранилища представлены на рисунке 56.
Ðàññòî ÿí èå î ò Àêóëî âñêî é ï ëî òèí û , êì
0.0
0.0
0.5
1.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
-2.0
-4.0
Ãëóáèí à, ì
-6.0
-8.0
-10.0
-12.0
-14.0
-16.0
-18.0
Ðàññòî ÿí èå î ò Àêóëî âñêî é ï ëî òèí û , êì
0.0
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
-2.0
-4.0
Ãëóáèí à, ì
-6.0
-8.0
-10.0
-12.0
-14.0
-16.0
-18.0
Рисунок 56 – Распределение Электропроводности воды (верхний профиль)
и температуры воды (нижний профиль) в Учинском водохранилище
(по основной оси р. Вязь) в мае 2005 г.
Электропровдность воды в Учинском водохранилище изменялась в небольших
пределах, закономерно повышаясь ко дну без резких перепадов. Южный ветер в период
съемки способствовал нагону маломинерализованных теплых вод к верховьям
водохранилища. Это хорошо видно на рисунке, демонстрирующем распределение
температуры воды. Слой скачка температуры и плотности воды располагался в Учинском
146
водохранилище сравнительно неглубоко – на глубине 6–7 метров и лишь в верхней части он
был заглублен опусканием теплых вод. Этот же процесс привел к увеличению вертикальной
устойчивости и повышению градиента плотности в слое термоклина. Такая картина
пространственного распределения температуры и электропроводности типична для
Учинского водохранилища в это время.
Распределение растворенного кислорода в водохранилищах характеризуется нами
по данным наблюдений за его концентрацией в поверхностных и придонных слоях.
Наблюдения проводились как по прибору YSI-85, так и путем отбора проб с последующим
лабораторным анализом по методу Винклера. Датчик растворенного кислорода в приборе
имеет большую инерционность, поэтому зондирование проводилось по сокращенной
программе (1 м, 3 м, 5 м и придонные слои). Во всех точках наблюдений концентрация
кислорода была близка к полному насыщению. Исключение составили придонные слои
Пестовского и Пяловского водохранилищ, где концентрации кислорода понижались
до 4 мг/л (менее 50% насыщения). Практически полное отсутствие кислорода отмечено
в придонных слоях Аксаковского залива Пяловского водохранилища, что связано
с отмеченным выше отсутствием интенсивного вертикального перемешивания и достаточно
высокой нагрузкой залива органическим веществом, как аллохтонного, так и автохтонного
происхождения.
Несколько иные особенности распределения наблюдаемых показателей проявились во
время августовских съемок (рисунки 57, 58, 59).
В августе электропроводность Икшинско-Пестовского участка водохранилищ
водораздельного бьефа была почти однородна на всем протяжении от 6-го шлюза
до Пестовской
плотины.
Пространственные
изменения
электропроводность
не превышали 5 мкСм/см. Лишь в приплотинной зоне Пестовского водохранилища
электропроводность заметно увеличивалась в глубоких слоях. Значения электропроводности
близкие наблюдавшимся в Пестовском водохранилище отмечены в центральных частях
Пяловского и Клязьминского водохранилища, т.е. в тех участках водохранилищ,
где проходит мощный поток волжских вод. В августе месяце, в отличие от мая, состав вод,
питающих водохранилища канала, слабо изменяется во времени поскольку речные воды
в меженный период особенно при отсутствии дождевых паводков имею почти постоянный
состав. Вследствие этого все водохранилища канала заполняются однородной по составу
водой. В Пяловском водохранилище горизонтальные градиенты электропроводности
максимальны за счет Аксаковского залива. Видимо в этом заливе водообмен происходит
медленно и влияние более минерализованных вод р. Учи формирование гидрологической
структуры водохранилища проявляется отчетливо. Центральный и приплотинный участки
однородны, поскольку водообмен там происходит более интенсивно. В Клязьминском
водохранилище распределение электропроводности близко таковому в Пестовском участке.
В горизонтальном направление водохранилище хорошо перемешано и только в глубоких
слоях приплотинного (Пироговского) участка наблюдается существенное изменение
минерализации вод.
147
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï åñòî âî , êì
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
0.0
-1.0
-2.0
Ãëóáèí à, ì
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
-7.0
-8.0
-9.0
-10.0
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï ÿëî âî , êì
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
0.0
-1.0
-2.0
Ãëóáèí à, ì
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
-7.0
-8.0
-9.0
Ðàññòî ÿí èå î ò âî äî çàáî ðà ÑÂÑ, êì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
-1.0
-2.0
Ãëóáèí à, ì
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
-7.0
-8.0
-9.0
Рисунок 57 – Распределение электропроводности воды в водохранилищах
водораздельного бьефа в августе 2005 г.
148
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï åñòî âî , êì
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
Ãëóáèí à, ì
-2.0
-4.0
-6.0
-8.0
-10.0
Ðàññòî ÿí èå î ò ï ëî òèí û Ï ÿëî âî , êì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
Ãëóáèí à, ì
-2.0
-4.0
-6.0
-8.0
Ðàññòî ÿí èå î ò âî äî çàáî ðà ÑÂÑ, êì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Ãëóáèí à, ì
-2.0
-4.0
-6.0
-8.0
Рисунок 58 – Распределение температуры воды в водохранилищах
водораздельного бьефа в августе 2005 г.
149
8.0
Ðàññòî ÿí èå î ò Àêóëî âñêî é ï ëî òèí û , êì
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
3.5
4.0
4.5
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
Ãëóáèí à, ì
-5.0
-10.0
-15.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
0.00
-5.00
-10.00
-15.00
-20.00
Рисунок 59 – Электропроводность и температура воды в Учинском водохранилище
в августе 2005 г. (по основной оси водохранилища)
Температура воды во всех водохранилищах относительно однородна, вертикальные
градиенты слабы, и слой термоклина нигде не проявляется. Такая картина типична для этих
водохранилищ в августе, вертикальное расслоение в это время уже исчезает. Однако, вновь
обращает на себя внимание Аксаковский залив, где перемешивание явно слабее, чем
в других участках водохранилищ водораздельного бьефа (даже в отчлененном Тишковском
заливе Пестовского водохранилище). Там вертикальное плотностное расслоение заметно
сильнее, чем в открытых частях водохранилищ.
В Учинском водохранилище воды эпилимниона также достаточно однородны, но
в этом водохранилище на глубине около 12 м сохраняется термоклин с очень высокими
градиентами температуры (до 4 град. на метр).
Кислородный режим водохранилищ в августе был гораздо более напряженным, чем
в мае. На большинстве станций даже в поверхностных горизонтах наблюдается
недонасыщенность вод кислородом, хотя и небольшая (80-90%). В придонных горизонтах
кислород заметно уменьшается даже на тех станциях, где по другим показателям
прослеживается интенсивное вертикальное перемешивание. Это снижение концентраций
кислорода можно объяснить его быстрым потреблением на разложение органического
вещества в слоях ниже фотического слоя. Полное отсутствие кислорода отмечено
в придонных слоях у Пестовской плотины и под слоем термоклина в Учинском
водохранилище. В Учинском водохранилище, таким образом, образуется значительная зона
аноксии, охватывающая придонные слои этого относительно глубокого водохранилища
и ограниченная изобатой 12 м. Объем этой зоны приблизительно 10 млн м3, что составляет
всего 7% объема водохранилища. Однако, как известно, водозабор из Учинского
150
водохранилища
производится
через
галерею,
расположенную
на глубине 14 м
в приплотинном участке водохранилища. Основная причина образования зон
аноксии - повышение доли автохтонной составляющей баланса органического вещества
в водоеме.
Выводы о пространственной неоднородности состава вод в водохранилищах в целом
хорошо подтверждаются химическим анализом проб воды, отобранных в поверхностном и
придонном слоях воды в некоторых точках, где проводилось зондирование
электропроводности и температуры. По солевому составу отчетливо прослеживается
увеличение концентраций главных ионов от поверхности ко дну в глубоких точках
зондирования. Содержание минеральных форм фосфора и аммонийного азота в мае было
на низком уровне вследствие интенсивного потребления их диатомовыми водорослями.
В августе концентрации фосфатов и аммонийного азота увеличились, а концентрации
нитратов резко снизились. Характер распределений химических показателей в Учинском
водохранилище и в других водохранилищах водораздельного бьефа был примерно одинаков,
общие закономерности вертикального распределения сохранялись во всех съемках.
2.2.4 Донные отложения водохранилищ
Донные отложения водохранилищ – один из важнейших абиотических компонентов
водной экосистемы – формируются на затопленных почвах речных долин за счет стока
взвешенных наносов рек, размыва берегов и дна водохранилища, оседания продукции
планктона и высшей водной растительности.
Москворецкие водохранилища обладают большим отстойным эффектом, аккумулируя
до 90% взвешенных веществ. Тем не менее, средняя скорость их заиления не превышает
0,5 см/год. Значительные площади затопленных почв водохранилищ в настоящее время
покрыты в основном мелкоалевритовыми песчанистыми и серыми илами (фракции с
диаметром < 0,01 мм составляют около 50%) с содержанием органического вещества 6-8%.
Наиболее важными факторами процесса заиления водохранилищ выступают физикогеографические и геологические характеристики водосборной площади, режим
регулирования стока, активность процессов береговой абразии и биологическая
продуктивность экосистем. Во всех москворецких водохранилищах все эти факторы
более-менее сходны, поэтому одинаковы и процессы формирования вторичного грунтового
комплекса.
Из москворецких водохранилищ процессы осадконакопления наиболее подробно
изучались в Можайском водохранилище. Детальные съемки донных отложений этого
водохранилища
проводились
в 1968-1969 годах (150 станций
грунтовой
съемки),
в 1984 (137 станций)
и
в 1990 (87 станций
в основном
в глубоководной
части
водохранилища). Эти съемки позволяют с достаточно высокой достоверностью определить
темпы осадконакопления в водохранилище и общий объем заиления этого водоема.
В первые годы существования Можайского водохранилища скорость его заиления
составляла 145 тыс.м3/год, что в пересчете по экспериментально полученным значениям
объемного веса отдельных типов отложений на весовые единицы дает 93 тыс.т./год. Свыше
50% объема отложений приходится на глубины более 10 м, более 70% их объема было
сосредоточено в приплотинном районе водохранилища. По результатам съемки 1984 г.,
выполненной по 100 станциям отбора проб, наибольшая мощность отложений наблюдалась
151
в русловой ложбине (40-60 см), на затопленной пойме мощность отложений варьировала
от 1 до 19 см, средняя толщина отложений составляла 32,4 см. Распределение типов донных
отложений в Можайском водохранилище по данным этой съемки представлено
на рисунке 60.
Рисунок 60 – Распределение грунтов в Можайском водохранилище: 1 – обнаженные
почвы, 2 – илистый песок и песок, 3 – песок с гравием и галькой, 4 – песчанистый
серый и серый ил; I – верхний, II – средний, III – нижний район водохранилища
Речной сток взвешенных наносов и размыв берегов дают 90-93% приходной части
баланса взвешенных веществ. Сток взвешенного вещества из водохранилища в среднем
за год в 10 раз меньше притока взвесей с водосбора, но при этом важно отметить, что сток
наносов из водохранилищ почти в 3 раза богаче органическим веществом по сравнению
с притоком. Скорость осаждения взвесей в разные периоды года составляет
от 2 до 10 г/м2 в сутки при среднем темпе заиления 0,48 см/год.
По данным грунтовых съемок последних лет максимальная толщина ила
в Можайском водохранилище зафиксирована в затопленном русле на границе верхнего
и среднего районов и составляет 82 см. В этой части водоема ежегодно происходит
осаждение основной массы взвесей, приносимых речными водами весеннего половодья.
В нижнем районе толщина слоя ила в русле не превышает 50 см, на пойменных
участках - 35 см. Количество органического вещества в илистых песках водохранилища
составляет 2–5%, в серых илах – 6-8%, в черных – до 10%.
152
Донные отложения Истринского водохранилища представлены песками, заиленными
песками, серыми и черными илами. Слой черного ила толщиной 25–45 см находится
преимущественно в глубоководной приплотинной части водохранилища. Серые илы
распространены в его центральном районе. Толщина этих отложений по данным съемки
1998 г. достигает максимальной величины 95 см возле границы верхнего и центрального
районов. Наибольшие площади песчаных и заиленных песчаных отложений расположены
вдоль берегов и в верховьях заливов. Содержание органических веществ в заиленных песках
достигает 7%, в серых илах – 16% в черных илах – 21%.
Состав донных отложений Рузского водохранилища аналогичен другим
москворецким водохранилищам. Их максимальная толщина достигает 84 см, в приплотинной
части водоема она составляет 25–30 см. Содержание органических веществ в илах
изменяется в пределах 2,5–16,5%, преобладают значения 10–12%.
В Озернинском водохранилище толщина иловых отложений меньше, чем в других
водохранилищ. Это связано с более чем в 2 раза меньшим притоком с водосбора взвешенных
веществ, что обусловлено более высокой залесенностью бассейна р. Озерна и наличием в его
верховьях Тростенского озера. По данным грунтовой съемки 2000 г. толщина ила
составляла 18–26 см. В глубоководной части водохранилища преобладает ил черного цвета
с содержанием органических веществ 12-15%. Серые илы и заиленный песок
распространены преимущественно в центральном и верхнем районах водохранилища.
Содержание органических веществ составляет в них соответственно 9–12 и 5%.
Максимальное количество взвешенного вещества в водах водохранилищ характерно
для периода весеннего половодья на их притоках, причем наибольшая концентрация взвесей
наблюдается в верховьях водохранилищ. По длине водохранилища содержание взвесей
может изменяться от 200 мг/л в верховьях до 10 мг/л в приплотинной части. В летний период
количество и распределение взвешенного вещества неустойчиво и быстро меняется. Во всех
водохранилищах в это время среднее содержание взвесей по вертикали составляет 3–9 мг/л,
увеличиваясь на отдельных участках во время дождевых паводков и интенсивного развития
фитопланктона до 10–25 мг/л. Для летнего периода характерны два максимума
в вертикальном распределении взвесей – поверхностный и придонный. Первый связан
с интенсивным развитием планктона, когда концентрация взвесей в поверхностном слое
может увеличиваться до 20–40 мг/л. Второй связан с осаждением взвесей и
физико-химическими процессами, протекающими на границе вода – донные отложения.
При резко выраженной стратификации водоема (при градиенте температуры в слое скачка
1-2 °C/м) выше пикноклина также может наблюдаться увеличение концентрации взвесей.
Осенью в формировании взвесей возрастает роль ветро-волнового фактора: концентрация
взвесей по акватории водоемов в конце октября составляет 5-9 мг/л, увеличиваясь
у абразивных берегов до 20 мг/л . Для зимнего периода характерно минимальное количество
(2-6 мг/л) и сравнительно равномерное распределение взвесей по акватории водохранилищ.
Структура баланса взвешенных веществ водохранилища с течением времени
изменяется незначительно. Наиболее значимым приходным компонентом баланса остается
поступление взвешенного материала с речным притоком и от размыва берегов, в расходной
части баланса – осадконакопление. Со временем заметно возрастает доля первичной
продукции органического вещества в приходной части баланса, хотя этот компонент
остается второстепенным источником взвесей при формировании донных отложений. Рост
153
прихода органического вещества обусловил некоторое повышение средних значений доли
органического вещества в донных отложениях водохранилищ – с 4-6% (1969 г.)
до 7-8% (1984 г.).
По содержанию органического вещества в донных отложениях можно ранжировать
водохранилища так: Истринское, Озернинское, Можайское и Рузское. Характеристика
содержания органического вещества в донных отложениях водоемов имеет важное значение
при оценке роли донных отложений в круговороте биогенных веществ в экосистеме водоема
и в конечном итоге влияет на интенсивность продукционных процессов.
В водохранилищах КИМ донные отложения водохранилищ представлены
преимущественно мелкоалевритовыми серыми илами, но вблизи судового хода преобладают
первичные грунты песчанистого типа. В настоящее время средняя толщина донных
отложений в водохранилищах составляет около 30 см, максимальная толщина илов
в глубоководных частях может достигать 60 см. Средняя скорость заиления водохранилищ
не превышает 0,3 см/год, содержание органических веществ в донных отложениях - около
9±2% . Характеристика донных отложений водохранилищ по данным наших исследований в
различные годы и данным Н.Д. Стариковой [54] представлена в таблице 49.
Таблица 49 – Характеристики донных отложений водохранилищ водораздельного
бьефа в различные периоды исследований
1937–1951
1937–1984
1937–2004
Водохранилище Слой д.о.
средний
Учинское
Пяловское
9,0
0,6
15
1
Пестовское
Клязьминское
Яхромское
Содержание
Содержание
Содержание
Слой д.о.
Слой д.о.
ОВ в %
ОВ в %
ОВ в %
средний
средний
средн.
средн.
средн.
33
24
5,0
8,5
10,2
0,51
0,47
34
4,5
11,5
0,48
29,5
12,1
0,42
31
9,3
0,44
20
5,2
1,3
Примечание – В графе «слой донных отложений» в числителе – средняя толщина
отложений в сантиметрах, в знаменателе – интенсивность накопления донных отложений
в год (см/год).
Динамику по годам показателей формирования комплекса донных отложений можно
проследить только по Учинскому водохранилищу и по Пяловскому. Эти два водохранилища
при анализе формирования донных отложений можно считать типичными, поэтому
закономерности динамики донных отложений, проявляющиеся в этих водохранилищах
вполне можно переносить и на другие водохранилища бьефа. Как видно из сравнений,
естественное нарастание слоя донных отложений в водохранилищах сопровождается
снижением ежегодных темпов заиления. Это соответствует приведенным выше
теоретическим представлениям о затухании процессов переработки берегов водохранилищ.
154
Отчетливую тенденцию к нарастанию имеет содержание органического вещества в донных
отложениях. Следует отметить, что различия в приведенных показателях между
водохранилищами невелики (в пределах точности наших оценок), поэтому можно считать,
что характер протекания процесса формирования грунтового комплекса в них идентичен.
Скорости накопления в первые годы существования водохранилищ уменьшались от верхнего
Яхромского к нижнему Учинскому водохранилищу (данные Н.Д. Стариковой). По нашим
последним данным они примерно одинаковы и даже немного меньше в Пестовском
(верхнем) водохранилище, чем в Учинском.
Пространственное распределение донных отложений и по типу и по толщине очень
неоднородно. Толщина колонок донных отложений по данным нашей съемки, проведенной
в мае 2005 г., колебалась от 1 см до 62 см и увеличивалась с глубиной, что связано как
со взмучиванием донных отложений на небольших глубинах, так и с заилением наиболее
глубоких участков чаши путем сползания ила по склонам впадин. По типу донных
отложений в водохранилищах водораздельного бьефа преобладает мелкоалевритовый
серый ил. Колонка черного ила, формирующегося преимущественно в бескислородных
условиях обнаружена нами на глубоководной станции в приустьевой части р. Учи
в Аксаковском заливе Пяловского водохранилища. Здесь же толщина колонка ила была
максимальной. Практически полное отсутствие отложений отмечено в том же Пяловском
водохранилище на сравнительно небольшой глубине (5 м) вблизи судового хода. В этой
точке грунтовый комплекс водохранилища представлен песчанистыми отложениями.
Заиленный песок доминировал в колонке отложений, отобранной на судовом ходу
в Клязьминском водохранилище. По-видимому, интенсивное взмучивание донных
отложений при прохождении судов не дает возможности сформироваться в этих местах слою
вторичных донных отложений и последние представлены первичными песчанистыми
грунтами. В пунктах отбора проб, отдаленных от судового хода, преобладали типичные
для вторичных отложений водохранилищ серые илы. Содержание органического вещества
также соответствовало типу донных отложений – минимальное в колонках заиленных песков
и максимальное в колонках типичного серого ила. толщина колонок донных отложений по
этой съемке, представлены на схемах водохранилищ (рисунок 61).
Из наших данных следует, что минимальное содержание органического вещества
наблюдается в Клязьминском водохранилище. Но было бы опрометчиво делать вывод
о более высокой продуктивности вышележащих водохранилищ, поскольку как уже
указывалось, на содержание органического вещества большое влияние оказывает
«разбавляющее» действие минерального материала, поступающего с берегов. Длина
абразивных берегов на Клязьминском водохранилище не меньше, чем в других
водохранилищах бьефа, но в этом водохранилище заметно более высокая антропогенная
нагрузка на берега (искусственные намывы песчаных пляжей, строительные работы
в прибрежной полосе, трубопереходы через водохранилище и т.д.), способствующая
поступлению дополнительного количества минерального материала в донные отложения
водохранилищ.
155
Рисунок 61 – Распределение толщины донных отложений водохранилищ
водораздельного бьефа по данным съемки в мае 2005 г.
156
Рисунок 62 – Содержание органического вещества (в %) в донных отложенияхх
водохранилищ водораздельного бьефа по данным съемки в мае 2005 г.
Выводы раздела
- Различия химической нагрузки москворецких водохранилищ определяется
ландшафтными особенностями их водосборов и режимом водного стока рек. Нагрузка
фосфором москворецких водохранилищ выше в годы с большей водностью. С увеличением
водности года возрастает влияние паводков на водный сток и приток фосфора, т.е. доля
летне-осенних паводков выше в средневодные и многоводные годы. Доля весеннего
157
половодья и летне-осенних паводков в годовом стоке фосфора выше, чем их доля в водном
стоке.
- Водосборы водохранилищ Москворецкой системы водоснабжения расположены в
верхней части гидрографической сети и в настоящее время испытывают невысокую
антропогенную нагрузку, хотя плотность населения достаточно высокая и существует
опасность негативного воздействия «дачного бума», наблюдающегося в последнее время
в Подмосковье.
- Особенность основного водосбора Волжского источника водоснабжения – высокое
содержание органического вещества гумусовой природы и высокая цветность вод,
характерная для всех его водохранилищ. Роль частных водосборов водохранилищ
водораздельного бьефа КИМ в формировании приходной части водного стока невелика.
Однако эти водосборы хорошо освоены в хозяйственном отношении, расположены в
густонаселенных районах Москвы и Московской области и испытывают значительные
антропогенные нагрузки.
- Различия химической нагрузки москворецких водохранилищ определяется
ландшафтными особенностями их водосборов и режимом водного стока рек.
- Нагрузка фосфором москворецких водохранилищ выше в годы с большей
водностью. С увеличением водности года возрастает влияние паводков на водный сток и
приток фосфора, т.е. доля летне-осенних паводков выше в средневодные и многоводные
годы. Доля весеннего половодья и летне-осенних паводков в годовом стоке фосфора выше,
чем их доля в водном стоке.
- Из-за особенностей режима регулирования стока возникают различия в характере
круговорота фосфора в москворецких водохранилищах и по этому признаку их можно
подразделить на две группы:
- Можайское и Рузское;
- Истринское и Озернинское.
Более высокий трофический уровень второй группы водоемов (Озернинское и Истринское)
и, соответственно, их более высокая продуктивность, а также более поздняя сработка (во
второй половине лета) способствуют накоплению в них органического вещества
автохтонного (внутриводоемного) происхождения.
- Типичной чертой гидрохимического режима москворецких водохранилищ стало
образование и развитие обширных анаэробных зон в глубинных слоях водохранилищ в
течение вегетационного периода. Особенно значительны эти зоны аноксии в Озернинском и
Истринском водохранилищах. Анаэробные условия в гиполимнионе оказывают глубокое
влияние на круговорот химических веществ, в первую очередь биогенных элементов, в
экосистеме водохранилищ.
- Роль водохранилищ в трансформации химического стока с водосбора проявляется в
снижении в нижнем бьефе содержания взвешенных веществ на 90%, органического вещества
на 20–40%, фосфора на 60%. азота на 30%. Регулирование стока приводит к внутригодовому
перераспределению химического стока водоисточника.
- Эмпирические гистограммы распределений показателей качества воды в различных
пунктах водоисточника аппроксимируются асимметричными теоретическими кривыми
распределения.
158
- В водохранилищах Волжской системы происходит резкое улучшение качества воды
по большинству показателей качества воды, что обусловлено интенсивными
внутриводоемными процессами самоочищения в экосистемах водохранилищ.
- Внутригодовые колебания качества воды в водоисточнике подчиняются
определенным закономерностям, связанным как с генезисом заполняющих водохранилища
вод, так и с сезонностью продукционно-деструкционных внутриводоемных процессов.
- Большинство показателей качества воды, связанных с антропогенным загрязнением
вод обнаруживает многолетние тенденции увеличения значений, несмотря на отсутствие
явно выраженной тенденции речного стока в бассейне Иваньковского водохранилища.
- Вследствие
интенсивного
водообмена
вода
в водохранилищах
хорошо
перемешивается, и характеристики состава воды в различных частях водохранилищ быстро
выравниваются как в периоды заполнения водохранилищ водами половодья Верхней Волги
(май), так и в период меженного стока.
- Следует отметить две особенности пространственного распределения состава воды
в водохранилищах водораздельного бьефа. Это слабое перемешивание и, соответственно,
возникновение как горизонтальных, так и вертикальных градиентов качества воды в
Аксаковском заливе Пяловского водохранилища и сохранение в августе ярко выраженной
вертикальное плотностной стратификации в Учинском водохранилище.
- Кислородный режим в водохранилищах в периоды гидролого-гидрохимических
синхронных съемок был в целом удовлетворительным, но в августе в Учинском
водохранилище отмечена зона аноксии, ограниченная изобатой 12 м. Дефициты кислорода
у дна характерны и для Аксаковского залива Пяловского водохранилища.
- Развитие процессов формирования комплекса донных отложений в водохранилищах
источнках-водоснабжения
г. Москвы
соответствует
известным
теоретическим
представлениям: толщина отложений со временем растет, темпы заиления уменьшаются,
содержание органического вещества увеличивается.
- Донные
отложения
водохранилищ
представлены
преимущественно
мелкоалевритовыми серыми илами, но на мелководьях и вблизи судового хода преобладают
первичные грунты песчанистого типа.
- Повышенное содержание органического вещества в донных отложениях
водохранилищ связано со слабым «разбавляющим» влиянием минерального материала
продуктов переработки берегов ввиду незначительного развития абразионных береговых
процессов на водохранилищах. На Клязьминском водохранилище это влияние усиливается
антропогенным воздействием на береговую полосу.
159
3 Закономерности гидротермического, гидрохимического
режима и условий развития фитопланктона в водохранилищах
водоснабжения г. Москвы в годы различной водности
3.1 Закономерности гидротермического режима водохранилищ
Перед тем, как рассмотреть закономерности влияния водности на термический режим,
необходимо дать характеристику особенностей и факторов внутригодового изменения
температуры воды.
Годовой тeрмичeский цикл. Годовой тeрмичeский цикл удобно рассматривать
согласно пeриодизации, разработанной на основe анализа измeнeния структуры тeплообмeна
водохранилищ [55]. Зимой термические процессы в москворецких водохранилищах
развиваются без заметных различий. Во всех водоемах формируется обратная температурная
стратификация (рисунок 63а), которая постепенно усиливается во время фазы зимнего
нагревания за счет теплоотдачи грунтов дна и поступления в придонные слои грунтовых вод.
Увеличивается в это время и продольная термическая неоднородность воды в результате
притока зимних речных водных масс. Эти холодные и высокоминерализованные воды
распространяются по русловой ложбине главной реки в виде плотностного потока и обычно
к концу февраля (а иногда и раньше) достигают гидроузла [47]. Подтекание плотностного
потока под основную водную массу водохранилищ приводит к формированию в них
своеобразного распределения температуры воды – зимней мезотермии (рисунок 63б)
с промежуточным максимумом температуры воды на верхней границе плотностного потока.
Расход и скорости плотностных течений соизмеримы со стоковыми течениями, а иногда
даже превосходят их. Тогда в водохранилищах возникают системы компенсационных
течений в поверхностных слоях [56, 57]. В это время наиболее заметное влияние на
распределение температуры воды оказывает интенсивность водообмена в водохранилищах,
определяющаяся водностью притока и режимом работы гидроузла.
Разрушение зимней температурной стратификации начинается ранней весной после
схода снега со льда и начала весеннего подъема уровня воды. В это время подледный слой
воды интенсивно поглощает солнечный свет, что вызывает повышение температуры в нем
до 1,5–2,5 С, увеличение плотности воды и, как результат этого, возникновение свободной
конвекции. С подъемом уровня воды происходит отрыв льда от берегов и образование на
мелководьях обширных закраин. Под воздействием солнечной радиации температура воды в
них быстро прогревается до 3–4 С, плотность прибрежных вод становится выше плотности
основной водной массы водохранилища и теплая вода начинает скатываться от берега в
центральную часть водоема, а на её место из подледного слоя поступают более холодные
воды. В результате таких поперечных циркуляций воды в фазу раннего весеннего нагревания
значительно ускоряется прогрев водной массы водохранилища под ледяным покровом.
Существенное воздействие на распределение температуры воды в это время оказывает
режим наполнения водохранилищ и соотношение объемов зимних водохранилищных и
весенних речных водных масс, а также расположение боковых притоков по длине
водохранилищ.
160
Рисунок 63 – Вертикальное распределение температуры воды в приплотинном плесе
водохранилищ во время квазисинхронных гидрологических съемок: 1 – Можайское,
2 – Рузское, 3 – озернинское, 4 – Истринское водохранилище; (а) – 4–7 февраля 1975 г.;
б) 30–31 марта 1976 г.; в) 22–24 апреля 1975 г.; г) 26–28 июня 1974 г.;
д)26–28 июля 2000 г.; e) 5–8 августа 1974 г.; ж) 7–10 октября 1973 г.; з) 19–21
ноября 1974 г. [58]
После схода льда в фазу весеннего нагревания воды до 4°C происходит интенсивное
вертикальное перемешивание водоемов в результате плотностной неустойчивости,
усиленной ветровым воздействием. Весной водохранилища прогреваются в условиях
практически полной вертикальной гомотермии, но при наибольшей неоднородности
в продольном распределении температуры: в верховьях температура воды обычно бывает
на 4–5 °C выше, чем в приплотинном районе. В отдельные дни фазы раннего летнего
нагревания при антициклональном типе погоды возникает слабая температурная
стратификация с равномерным понижением температуры на 2–3 °C от поверхности
до дна (рисунок 63в).
Процесс накопления тепла в фазу раннего лета контролируется одинаковыми для всех
водоемов синоптическими факторами, конвективным перемешиванием и слабой
плотностной устойчивостью водной массы. Поэтому различия в средней температуре воды
между водохранилищами в начале фазы летнего нагревания невелики и формирование слоя
температурного скачка начинается в них практически одновременно. А вот скорость
заглубления слоя скачка, его толщина и величина градиентов температуры оказываются
сугубо индивидуальными для каждого водоема (таблица 50), так как в значительной степени
зависят не только от синоптических факторов, но и от морфометрии водоемов, их
пространственного расположения относительно преобладающего ветрового воздействия,
интенсивности водообмена (режима притока и сброса воды гидроузлами), степени
наполнения водоема.
161
Таблица 50 – Параметры температурной стратификации москворецких водохранилищ
по данным квазисинхронных гидрологических съемок в фазу летнего нагревания [58]
Дата
Водоем Тпов, °C эпи, м maxDt, м maxDt,°C/м гипо, м Тдно, °C НПУ, м
19–28.06
1973 г.
Можай
Руза
Озерна
Истра
19,7
18,9
18,4
22,1
6
4
9
5
3
2
2
5
1,7
1,5
4,7
4,5
11
13
9
9
8,7
10,3
9,7
8,0
1,88
2,02
0,58
1,24
26–28.06
1974 г.
Можай
Руза
Озерна
Истра
20,6
21,5
21,8
20,1
3
5
2
4
2
2
1
4
3,5
3,5
4,8
3,0
17
16
17
12
8,4
9,5
9,8
8,2
0,40
0,28
0,06
0,16
13–26.06
1988 г.
Можай
Руза
26,1
21,1
2
6
6
2
3,8
7,6
14
13
6,9
7,9
0,50
0,32
26.06–2.07 Можай
1998 г.
Истра
19,4
20,3
8
6
2
3
5,1
4,9
11
10
8,3
9,1
0,81
-
28–30.06
1999 г.
Можай
Истра
24,5
27,0
4
5
4
5
3,7
6,9
13
9
8,4
8,7
1,59
-
2–7.07
1988 г.
Можай
Руза
22,1
25,1
3
6
6
6
2,4
7,3
12
9
7,7
9,2
0,57
0,23
4–10.07
1990 г.
Можай
Руза
Озерна
21,2
21,8
23,1
6
4
1
2
3
4
2,6
2,5
2,5
12
12
13
11,6
14,0
10,1
1,8
1,49
1,78
16–18.07
1990 г.
Можай
Истра
19,4
19,7
6
12
1
2
1,4
1,8
13
5
12,1
11,5
1,65
0,73
10–17.07
1991 г.
Можай
Истра
24,5
22,0
6
6
3
3
4,7
3,5
12
10
9,4
8,3
1,47
-
30–31.07
1991 г.
Можай
Истра
20,9
20,5
14
8
4
3
2,7
3,1
2
9
9,5
8,8
1,75
-
18–21.07
1992 г.
Можай
Истра
21,4
20,9
4
5
2
1
2,1
4,4
13
11
10,0
9,5
3,08
2,98
26–28.07
2000 г.
Руза
Озерна
Истра
20,4
21,2
20,5
9
6
8
1
4
3
1,0
1,9
2,4
8
7
6
14,8
12,5
13,2
-
Примечание – Тпов – температура водной поверхности, эпи – толщина эпилимниона,
maxDt - толщина слоя температурного скачка, maxDt – максимальное значение вертикального
градиента в слое скачка температуры, гипо – толщина гиполимниона, Тдно – температура
придонного слоя, НПУ – свободная емкость водохранилищ.
Под слоем температурного скачка понимается слой воды, в пределах которого
вертикальный градиент температуры превышает 1,0 °C/м. Анализ этой таблицы показывает,
162
что различия летней температурной стратификации водохранилищ могут быть довольно
значительными. Максимальные отличия в температуре водной поверхности примерно в одно
и то же время наблюдений достигают 5 °C, а температуры придонных слоев – 4 °C. Толщина
слоя
эпилимниона
может
различаться
на 6 м,
металимниона – на 4 м,
а гиполимниона - на 8 м. Различия максимальных градиентов температуры в металимнионе
достигают 5 °C/м. Наибольшие значения вертикальных градиентов температуры воды
(до 7,6 °C/м) были зарегистрированы на Рузском водохранилище в июне 1988 г., когда в него
осуществлялась перекачка воды из Верхне-Рузского водохранилища в жаркую
антициклональную погоду. Поступление большого объема прогретой до 20–22 °C воды
привело к её быстрому проникновению в поверхностных слоях к плотине и формированию
по всему водохранилищу резко выраженного слоя температурного скачка толщиной 1–2 м.
В этом же водохранилище отмечено и минимальное значение вертикального градиента
температуры воды в слое скачка (1,04 °C/м) в июле 2000 г. Характерное для периода летнего
нагревания вертикальное распределение температуры воды в водохранилищах представлено
на рисунках 63г и 63д.
По данным наблюдeний на Можайском водохранилищe синоптичеcкий слой
тeмпeратурного скачка (образующийся в антициклоническую погоду), чаще всего
охватывает верхние два метра водной толщи, исключение составляют продолжительные
периоды жаркой штилeвой погоды, за которые толщина синоптического слоя скачка
достигает 6–7 м [59].
Под воздействием конвективного и ветрового перемешивания в фазу позднелетнего
охлаждения слой температурного скачка (СТС) обычно постепенно погружается и обычно во
второй декаде августа достигает русловой бровки в наиболее глубоководных участках
водохранилищ (рисунок 63е). В Истринском водохранилище процесс заглубления слоя
скачка происходит медленнее, чем в других москворецких водохранилищах, по-видимому,
из–за большей защищенности его акватории от ветрового воздействия.
По данным наблюдeний и матeматичeского модeлирования выявлeно, что условия
формирования сезонного СТС различны. От них частично зависит продолжительность его
существования и местоположение. Формирование СТС I типа происходит в период
нагревания весной при сильном и продолжительном ветре сразу в нижней части вертикали.
Там он существует в течение всего вегетационного периода в придонных горизонтах.
Изменения происходят только на его верхней границе (постепенно увеличивается
температура, и по этой причине увеличивается средний градиент температуры в слое скачка
и его толщина). Второй способ образования сезонного СТС – заглубление
синоптического СТС. Однако заглубление происходит на сравнительно небольшую глубину
(до 10 м), и такой СТС (II типа) чаще всего постепенно размывается при перераспределении
тепла. Заглубление синоптического СТС имеет значение при уже существующем
сезонном СТС, когда при перемешивании на его верхнюю границу поступает более
прогретая вода, что способствует увеличению градиента. Еще один способ образования
сезонного СТС (III типа) – прогревание водной толщи при сохранении низкой температуры
придонных слоев. В этом случае СТС образуется в придонных горизонтах и его толщина
растет от 1 до 4–5 м при увеличении температуры воды на верхней границе. Такой СТС
формируeтмя обычно в годы с высоким уровнем. При определенном сочетании погодных
163
условий на вертикали могут образоваться два сезонных СТС: у дна термический (III типа)
и в середине вертикали динамический (II типа) [59].
После полного разрушения летней температурной стратификации во всех
водохранилищах в фазу осеннего охлаждения устанавливается вертикальная гомотермия.
В этот период времени, как и в период весенней гомотермии, решающее воздействие
на изменения температуры воды оказывают климатические факторы, общие для всех
водохранилищ. Поэтому температурные различия между ними минимальны и обычно
не превышают 1 °C (рисунки 63ж и 63з). По этой же причине сроки установления ледостава
на водохранилищах в фазу предзимнего охлаждения мало отличаются друг от друга. После
замерзания водохранилищ термические процессы в них развиваются без заметных отличий.
При подобии термического режима москворецких водохранилищ в общих чертах,
в деталях этот режим индивидуален для каждого из них. Причем эта индивидуальность
наиболее сильно проявляется в периоды времени, благоприятные для развития
фитопланктона. Наряду с климатическими факторами, она во многом определяется режимом
эксплуатации водохранилища как в предшествующий период годового цикла, так и в момент
каждой конкретной синоптической ситуации (по крайней мере, в наиболее важной
для водозабора приплотинной части водоема).
Завершив описание особенностей термического режима необходимо дополнить
раздел сведениями о процессах, определяющих особенности формирования термической
структуры на вертикали.
В водоемах суши умеренного пояса, к которым относятся исследуемые
водохранилища, сезонные термические циклы (СТЦ) определяют изменчивость
термического состояния водной экосистемы: с одной стороны, они искажают суточный цикл
температуры – при похолодании температура воды на вертикали постоянно уменьшается,
тогда как при потеплении четко выражен дневной максимум температуры поверхности воды
и ее минимум в предрассветные часы. С другой стороны, СТЦ деформируют годовой
температурный цикл (варьирует дата максимального нагревания, проявляется сильная
асимметрия либо двухвершинность годового хода температуры поверхности воды),
а интенсивность и частота СТЦ в течение вегетационного сезона влияет на многолетние
колебания среднегодовой температуры и биологической продуктивности экосистемы.
СТЦ – это отклик водной экосистемы на смену погоды с циклонической
на антициклоническую, а затем снова на циклоническую. Он проявляется как в изменении
температуры воды, так и в изменении ее химического состава и биомассы планктона на всей
акватории водоема в виде чередующихся периодов интенсификации поглощения водной
экосистемой то преимущественно ветровой энергии, то солнечной.
Зависящая от погодных условий термическая структура водной толщи определяет
глубину проникновения сгонно-нагонных колебаний: в циклонический период при
отсутствии слоя температурного скачка в мелких водоемах сгонно-нагонные явления
выражены во всей толще воды, а при наличии СТС глубина их проникновения определяется
сочетанием таких факторов, как скорость ветра и гидродинамическая устойчивость слоя
скачка.
Расслоение водной толщи слабопроточных континентальных водоемов в теплую
часть года на более прогретый поверхностный слой – эпилимнион и глубинный
гиполимнион с холодной и поэтому более плотной водой – важнейшее гидрологическое
164
явление, оказывающее наибольшее влияние на развитие процессов химической
и биологической трансформации озерной водной массы и определяющее ее биологическую
продукивность и питьевые качества воды. Однако процесс формирования термической
стратификации в весенний и летний сезоны, включающий возникновение, заглубление слоя
температурного скачка, завершающийся его разрушением в водоемах происходит под
воздействием
большого
числа
гидрометеорологических
факторов.
Согласно
Хатчинсону [60], основной механизм, создающий температурную стратификацию –
турбулентный теплообмен в толще воды. Он происходит вследствие волнового
перемешивания и дрейфовых течений, периодически возбуждаемых воздействием ветра
на водную поверхность. Во время охлаждения водной поверхности в ночные часы и
в особенности при похолоданиях возникает конвективное перемешивание водной толщи,
увеличивающее толщину эпилимниона.
При определенных скоростях ветра и охлаждении поверхности водоема образуется
особый тип перемешивания, называемый циркуляцией Ленгмюра, когда вдоль направления
ветрового
воздействия
формируются
параллельные
спиралеобразные
вихри
с горизонтальными осями. Механизмом возбуждения подобного явления служит конвекция
в сочетании с дрейфовым течением, которое подавляет все вихревые образования,
направленные под углом к направлению ветра [61]. Вихри Ленгмюра – это один из наиболее
интенсивных механизмов перемешивания верхнего слоя воды, так как перемешивание может
охватывать слой воды толщиной несколько метров.
Оценка энергетического вклада циркуляций Ленгмюра, ветрового вертикального
перемешивания и свободной конвекции в стратифицированном водохранилище
производилась для периодов весеннего нагревания и осеннего охлаждения, а также для фаз
нагревания и охлаждения гидрологически значимых синоптических периодов путем
проведения численных экспериментов.
Численный эксперимент, поставленный для раздельной оценки вклада свободной
конвекции, ветрового перемешивания и циркуляции Ленгмюра в формирование
вертикального распределения температуры воды произведен на примере Можайского
водохранилища, так как модель ТМО наиболее точно верифицирована по материалам
многолетних исследований этого водоема. Для каждого экспериментального периода
выполнены 4 варианта расчета: первый – по полному алгоритму модели, второй с изъятием
из алгоритма блока расчета ветрового перемешивания и циркуляции Ленгмюра (расчет
свободной конвекции СК), третий – с изъятием блока расчета свободной конвекции
и циркуляции Ленгмюра (расчет ветрового перемешивания ВП), четвертый – с изъятием
блоков расчета конвективного и ветрового перемешивания (расчет циркуляции
Ленгмюра ЦЛ). Расчет производится как для одиночного синоптического цикла
с использованием в качестве начальных и граничных условий метеоинформации за 1979 г.,
1986 г., и 1996 г. так и для всего вегетационного периода 1984 г.
Расчеты показали, что в фазы весеннего нагревания и раннего лета, когда
среднесуточная температура воздуха превышает среднесуточную температуру поверхности
воды, и турбулентный теплообмен является приходной составляющей теплового баланса,
ветровое перемешивание имеет большее значение в вертикальном перемешивании, чем
свободная конвекция, благодаря которой формируется синоптический слой температурного
скачка. Летом, когда возрастает интенсивность теплопотерь с нагретой воды, особенно
165
велика роль конвективного перемешивания в усилении устойчивости верхней границы слоя
температурного скачка при его постепенном погружении, чем ослабляется динамическое
ветровое перемешивание воды в слое температурного скачка. Следовательно, в это время
конвекция способствует увеличению продолжительности стратификации, противодействуя
ветровому разрушению слоя температурного скачка. В период осеннего охлаждения
при усилении ветрового воздействия оба процесса практически одинаково важны
для охлаждения водной толщи при все более глубоком перемешивании и погружении
сезонного слоя температурного скачка на дно самых глубоких участков водохранилища.
Использование математической модели дает возможность оценить различия
составляющих теплового баланса в верховьях и приплотинной части долинных
водохранилищ в течение периода открытой воды в зависимости от особенностей
температурного и водного режима водохранилищ (на примере Можайского водохранилища):
- Сочетание в тепловом балансе каждого района водохранилища вертикальной
и горизонтальной компонент внешнего и внутреннего теплообмена служит причиной
сложных пульсаций величин среднесуточного результирующего теплообмена отсеков
в разные по погодным условиям и по водности годы. Адвективное поступление тепла
в отсеки в той или иной степени компенсируется его потерями со стоковыми, плотностными
и компенсационными течениями. Таким образом, в водохранилище наблюдается постоянный
транзит тепла из отсека в отсек, осложненный нередкими противотечениями.
- И в период нагревания, и в период охлаждения в расходной части теплового баланса
преобладает испарение. Доля испарения в расходной части теплового баланса в верхней
части обычно меньше, чем в приплотинной (примерно на 5%).
- Роль эффективного излучения поверхности водохранилища в потерях тепла
возрастает в фазу нагревания от приплотинного района к верхнему, а в период
охлаждения - в обратном направлении.
- Роль турбулентного теплообмена в приплотинном районе возрастает в период
охлаждения, а изменение этой же характеристики в периоды нагревания и охлаждения
в верхней части водоемы незначительно.
- Количество тепла, переносимое вертикальными составляющими теплового баланса,
примерно в 1,5–2 раза меньше объемов тепла, переносимых горизонтальными
составляющими. Наиболее выражено такое соотношение в маловодном году. В период
охлаждения преобладание горизонтального теплообмена над вертикальным снижается.
- На содержание тепла, а следовательно, и на температурный режим верхнего района
водохранилища оказывает влияние не только теплообмен с атмосферой, но и приток тепла
с речными водами, особенно в теплую весну.
- На содержание тепла в центральной части водохранилища и его температурный
режим помимо теплообмена с атмосферой оказывают влияние плотностные течения:
в период весенне-летнего нагревания водоема поступление тепла преобладает с плотностным
противотечением из приплотинного участка, а в период охлаждения – из верхнего. Роль
стокового течения менее значительна, т.к. приносимое им тепло через центральный район
«проходит транзитом». Компенсационное противотечение играет существенную роль,
компенсируя отток тепла с плотностным течением в приплотинный район.
- Скорость стоковых течений уменьшается от верхнего к приплотинному участку
водохранилища, но при значительных колебаниях объема сбросов воды гидроузлом
166
эта тенденция нарушается (близкие по величине скорости стоковых течений наблюдается
в верхней и центральной частях водоема). Наибольшие скорости стоковых течений
отмечались в 1996 году в верхнем районе водохранилища (5÷122,87 см/с), что связано
с низким уровнем водной поверхности водохранилища (179 м) и регулярными дождевыми
паводками, наблюдавшимися в течение всего расчетного периода.
- В период охлаждения количество тепла, переносимое стоковыми течениями,
увеличивается по направлению к плотине, за исключением лет пониженной водности.
- В период
охлаждения
количество
тепла,
переносимое
плотностными
противотечениями, увеличивается по сравнению с периодом нагревания.
- В период
охлаждения
увеличивается
количество
тепла,
переносимое
компенсационными течениями.
- В годы пониженной водности количество тепла, переносимое стоковыми течениями,
уменьшается по направлению от верхнего к приплотинному участку как в период
нагревания, так и в период охлаждения [62].
В завершение раздела следует привести характерные особенности термического
режима долинного водохранилища (на примере Можайского) в зависимости от сочетания
условий проточности и высоты сработки уровня воды. Для сравнения выбраны
два слабопроточных (1996 и 2011 с Кв 1,2 и 1,3 соответственно) и два сильнопроточных года
(2008 и 1998 с Кв 4,6 и 3,2
соответственно).
Анализ
приводится
для
наиболее
глубоководного приплотинного района по данным гидрологических съемок. Несомненно,
что особенности термического режима каждого года в значительной степени определяются
погодными условиями, однако можно проследить некоторые закономерности, связанные
с характером проточности и уровнем воды в водоеме.
В 1996 г. в летний период уровень воды был ниже НПУ на 4,5–3,5 м (увеличивался
от 178,5 до 179,5 м абс) при относительно высоких значениях придонной температуры
воды (8 °C 29 июня) , увеличившихся за 2 месяца на 1,7 °C. Разница температуры воды
поверхностного и придонного горизонта к концу лета уменьшилась с 12,1 до 8,9 °C.
В малопроточном 2011 г. уровень воды был существенно выше (182,5–180,5 м абс),
что обусловило низкие значения температуры воды у дна в течение всего лета (5,2–7,7 °C
с 13 июня до 15 августа), а разница температуры воды поверхностного и придонного
горизонта составляла от 19,6 °C в июне до 15,7 °C в августе.
В сильнопроточном 2008 г. с относительно низким уровнем в летний период
(179-176,5 м абс) в конце июня–начале июля наблюдалась довольно высокая температура
воды в придонном горизонте (9,8 °C). Разница температуры воды поверхностного
и придонного горизонта составила 9,4–12,4 °C за период 26 июня–10 июля (к сожалению,
данные на более поздние даты отсутствуют).
В сильнопроточном 1998 г. с уровнем воды летом близким к НПУ (182,5–182 м абс)
температура воды в придонных горизонтах за период 17.06–12.07 не превышала 8–8,5 °C,
однако из-за преимущественно прохладной погоды разница температуры воды
поверхностного и придонного горизонта не превысила 10,9–8,4 °C.
Выводы раздела
- В водохранилищах москворецкой системы наблюдаются более высокие значения
температуры воды в придонных горизонтах в годы с низким уровнем воды, а в годы
167
с уровнем близким к НПУ и малой сработкой в течение летнего периода следует ожидать
болеем низких значений температуры воды у дна, что в сочетании с периодами жаркой
погоды может обусловить значительное термическое расслоение, благоприятствующее
формированию зон аноксии.
- В годы с низким уровнем воды, наоборот, возможно более глубокое проникновение
ветрового перемешивания, особенно при больших значениях коэффициента водообмена,
поскольку в такие годы наблюдаются меньшие значения электропроводности воды у дна,
чем в малопроточные годы, когда электропроводность донной водной массы превышает
300 мкСм/см ,что способствует повышению устойчивости водной толщи к перемешиванию.
168
3.2 Гидрологическая структура водохранилищ
Водохранилища сезонного и многолетнего регулирования стока в каждый сезон года
заполнены водами притоков разных фаз их стока. Поэтому вода водохранилищ неоднородна
по своему генетическому составу в течение всех сезонов.
Определенное сочетание в пространстве генетически и качественно различных
водных масс и зон их смешения представляет собой гидрологическую структуру водоема.
При проведении синхронных гидрологических съемок на разных по водообмену
водохранилищах было установлено, что ежегодно эта структура возобновляется [11],
но размеры водных масс, положение их границ, а также генетический и вещественный состав
основной водной массы (ОВМ) меняется, о чем свидетельствовали изменения от года к году
значений ее характеристик.
При сходстве главных элементов гидрологической структуры водохранилища в годы
разной водности и при разных графиках сработки объема водохранилища различие
в размерах, генетическом и химическом составе его водных масс, в особенности в сезонных
модификациях ОВМ, составляющей летом и осенью более 80% объема всего водоема, могут
быть значительными. Приведенные в таблице 51 диапазоны некоторых характеристик
водных масс Можайского водохранилища за многолетний период есть следствие изменения
их генетического состава.
Таблица 51 – Характеристики сезонных модификаций водных масс Можайского
водохранилища по данным съемок
Минера– Электропро–
Гидрокарбо– Окисляемость,
Водные Обозна–
Na
лизация,
водность,
наты,
(ПО),
массы
чение
K
мг/л
мкСм/см
экв%
мг О/л
Весенние:
речная
Рв
70–170
90–180
1,2–1,5
30–35
7–10
основная
Вв
160–240
170–250
2,0–2,5
39–41
6–7
Летние:
речная
Рл
200–390
210–380
3,5–4,5
46–47
6–8
основная
Вл
130–200
150–240
2,0–2,2
36–38
6–10
донная
Дл
170–240
180–280
3,0–4,0
45–47
7–12
Зимние:
речная
Рз
320–520
320–500
5,0–7,0
45-47
3–6
основная
Во
180–360
190–350
2,3–3,0
40–43
6–9
донная
Дз
330–640
330–600
3,8–6,3
45-48
3–6
Изучение распределения значений физических и химических параметров
экологического состояния водных масс (температуры, прозрачности, плотности воды,
концентрации растворенных веществ и газов, электропроводности и цветности воды) не дает
возможности получить количественные оценки изменения генетического состава вод
водохранилища в течение года.
Наиболее сложная гидрологическая структура наблюдается в водохранилищах глубокого
сезонного регулирования стока [63]. На рисунке 64 представлены границы водных масс
Можайского водохранилища – за два средневодных года с маловодной весной.
169
Рисунок 64 – Продольный разрез водных масс Можайского водохранилища
в 1973/74 (а) и 1974/75 (б) водохозяйственные годы (обозначения водных масс даны
в таблице 51, ЗС – зона смешения)
Эти границы были проведены по максимальным градиентам электропроводности
воды, измеренной в указанные на рисунке 64 даты. И в эти, и в другие годы, когда
проводились регулярные синхронные гидролого–гидрохимические съемки, гидрологическая
структура была примерно одинакова: в зимний и летний периоды наблюдалась
горизонтальная структура, а весной и осенью – вертикальная (рисунок 64).
Однако, изучение распределения значений физических и химических параметров
экологического состояния водных масс (температуры, прозрачности, плотности воды,
концентрации растворенных веществ и газов, электропроводности и цветности воды) не дает
возможности получить количественные оценки изменения генетического состава вод
водохранилища в течение года.
В то же время пестрота в сочетании факторов, определяющих водность разных
сезонов при различии, кроме того, и режимов сброса воды из водохранилища затрудняет
выявление роли водности в генетическом составе водных масс в конкретные, разные по
водности годы.
Расчет генетической структуры вод можно осуществить с помощью модели СВМ
(состав
водных
масс),
разработанной
на
кафедре
гидрологии
суши
МГУ им. М.В. Ломоносова. Принципы моделирования изложены в [64, 65, 66]. Чтобы
установить степень изменения генетического состава сезонных модификаций ОВМ
Можайского водохранилища и содержания в ней минеральных и органических веществ при
разной водности было применено конструирование структуры притока в Можайское
водохранилище и расчет по этим сконструированным сценариям генетического состава ОВМ
водохранилища с помощью той же модели СВМ (состав водных масс).
Численный эксперимент по расчету генетической структуры водных масс
осуществлен для Можайского водохранилища на основе данных гидрометрических
170
наблюдений в 1986/87 водохозяйственном году. Он был выбран как один из наиболее
многоводных лет с высоким половодьем и обильными летними и осенними паводками. Такая
структура притока давала возможность сформировать сценарии (варианты) расчетов путем
срезки пиков половодья или паводков.
Расчет по основному варианту (0) выполнен по исходным данным реального
1986/87 г. и увязанным по водному балансу значениям притока и сброса. Кроме основного
варианта расчет проводился еще по четырем сценариям. Сбросы воды для этих вариантов
задавались в соответствии с принятым для модельных расчетов жестким режимом сработки
полезного объема водохранилища в рамках диспетчерских правил эксплуатации Можайского
гидроузла.
В варианте I объем сброса в 1986/87 расчетном году (по сравнению с реальным
в варианте 0) вследствие соблюдения этого жесткого графика сработки снизился почти
на четверть, а из-за увязки баланса приток уменьшился лишь на 15%. Это позволило отнести
вариант I также к многоводным годам и оценить влияние уменьшения сброса воды
на изменение генетической структуры вод в многоводный год. В варианте II был уменьшен
приток воды в периоды весеннего половодья, летних и осенних паводков, что привело
к значительному уменьшению сброса воды в нижний бьеф и соответствию этого варианта
маловодному году. В варианте III были уменьшены расходы притока только в период
половодья по всем рекам, в результате чего годовой приток и сброс оказались немного ниже,
чем в среднем по водности году. В варианте IV были уменьшены расходы воды притока
только в периоды летних и осенних паводков по всем рекам, в результате чего приток и
сброс оказались немного больше, чем в среднем по водности году (таблица 52).
Таблица 52 – Принятые значения притока воды в Можайское водохранилище и ее
сброса из него, млн м3
Вариант Половодье
Паводки
Межень
Зимний
Годовой
расчета с паводком летние осенние летняя зимняя паводок приток сброс
0
262,5
38,8
41,3
16,7
20,0
9,6
388,9
414,1
I
224,0
40,3
44,4
15,5
18,9
9,1
352,2
315,3
II
137,0
4,6
14,2
13,9
19,5
9,0
198,2
227,8
III
137,0
40,5
44,8
15,7
18,9
9,1
265,9
233,1
IV
224,0
4,6
14,0
14,0
19,5
9,2
285,3
309,3
На рисунке 65 представлена рассчитанная по модели СВМ структура вод в
Можайском водохранилище в многоводный год, а также сценарный вариант I со сбросом
воды, уменьшенным на 24%. Главное отличие структуры вод сценарного варианта I от
основного в том, что в нем дольше – до конца мая (вместо середины апреля в основном
варианте) сохраняются нетрансформированные воды половодья (В) и до середины октября
(вместо конца июля в основном варианте)  воды летних паводков (ПЛ). Дольше – до конца
года (26 марта) (вместо начала февраля в основном варианте) сохраняются и
трансформированные воды осенних паводков (ПОТ). Весной и летом нижние границы
ареалов ПВ, ПВТ и ПЛТ дальше (на 1,5–2 км) отстоят от плотины, чем в нулевом варианте.
Осенью и зимой дальше (примерно на 3 км), чем в основном варианте, отстоят от плотины
171
верхние и нижние границы всех ареалов, кроме ПОТ. В конце зимы большие, чем в основном
Рисунок 65 – Распространение вод разного генетического состава по длине Можайского
водохранилища по расчетным периодам в 1986/87 г. по 4 вариантам расчета по модели
СВМ
172
варианте, площади диаграммы занимают ареалы смеси вод с преобладанием вод
половодья (СВ) и летних (СПЛ) паводков, а воды ПОТ доходят до плотины, вклиниваясь в
воды смеси с преобладанием вод осеннего паводка (СПО). В то же время зимние воды
(ареал М с декабря по март) в варианте I занимают меньшую площадь диаграммы, чем
в основном варианте, продвинувшись лишь до 20-го км от плотины (в отличие от 17-го км
в основном варианте).
Основное отличие генетической структуры вод маловодного года (вариант II
на рисунке 65) от сконструированного многоводного (вариант I) заключается в длительном
(до конца июля) присутствии в приплотинном районе зимних вод прошлого
водохозяйственного года (З и ЗТ) и весенних трансформированных (ВТ) (до конца года).
Кроме того, ядро вод половодья рек Москва и Лусянка (В) не смыкается с весенними водами
р. Колочь (КВ), а продвигается только до РО-11. Оно существует там до конца июля
(в отличие от варианта I, когда его трансформация произошла в конце мая). В маловодный
год меньше продвигаются из верхнего района границы вод дождевых паводков, а границы
меженных вод смещаются в центральный район.
Генетическая структура вод в средневодный год с небольшим половодьем (вариант III
на рисунке 65г) в начале водохозяйственного года подобна генетической структуре в
маловодный год (вариант II), а с июля  структуре многоводного года (вариант I) за
исключением того, что к концу водохозяйственного года в приплотинном районе
преобладают воды половодья (СВ), а не весеннего паводка (ПВ).
В средневодный год (с таким же половодьем, как в многоводный год, но
при срезанных паводках – вариант IV на рисунке 65) видны отличия гидрологической
структуры от варианта I, начиная с летних паводков. Дольше существуют ареалы вод
весеннего половодья (ВТ) и весеннего паводка (ПВ и ПВТ), воды летних паводков
не образуют своего ареала. Воды осенних паводков, хотя и достигают центрального района,
но лишь в виде фронтальной зоны (СПО), зато воды межени продвигаются в центральный
район, как и в маловодный год (вариант II).
Верификация модели СВМ [64, 66] показала, что, если по генетическому составу вод
отдельных отсеков и электропроводности исходных генетических типов вод рассчитать
среднюю электропроводность в отсеке, то средняя погрешность результатов составит 10%.
Исходя из этого, можно полагать, что процентный генетический состав ОВМ в разные
сезоны, рассчитанный по результатам моделирования, будет иметь погрешность  10%.
Введение в подобные расчеты для маловодного года значений гидрохимических
характеристик речных вод в маловодные годы приводит к увеличению минерализации
и уменьшению цветности воды на 410% весной, 8% летом и 812% в осенне-зимний
период. Следовательно, изменения этих характеристик содержания растворенных
минеральных и органических веществ в ОВМ Можайского водохранилища, вызываемые
увеличением или уменьшением минерализации и цветности в притоке вследствие колебаний
его водности, меньше их изменений в результате преобразования ее генетической структуры
или соизмеримы с ними.
В модели СВМ имеется блок ФОСФОР, в котором по генетической структуре ОВМ
и измеренном содержании ТР в речных водах притоков рассчитывается баланс фосфора
в разные сезоны года. Известно, что в многоводные годы, когда наиболее высока
173
концентрация ТР в воде половодья притоков, им наиболее обогащено ядро весенней
модификации ОВМ. К аллохтонному фосфору добавляются и автохтонные биогенные
вещества, если весенняя конвекция достигла дна в глубоководных районах водохранилища.
В маловодные годы нагрузка водохранилища аллохтонным фосфором сокращается
вдвое. Возрастает, следовательно, роль накопленных зимой в осенней модификации ОВМ
автохтонных биогенных веществ. Для их выноса из придонных горизонтов особенно важна
не только весенняя конвекция, но и частая смена погоды летом с чередованием фаз усиления
стратификации в антициклоническую погоду и ее разрушения в циклоническую [42].
Выводы раздела
- При сходстве главных элементов гидрологической структуры водохранилища в годы
разной водности и при разных графиках сработки объема водохранилища наблюдаются
значительные различия в размерах, генетическом и химическом составе водных масс,
в особенности в сезонных модификациях основной водной массы, составляющей летом
и осенью более 80% объема всего водоема.
- Сравнение диаграмм распределения водных масс в годы различной водности
показывает, что ареал практически нетрансформированной воды весеннего половодья
наиболее далеко продвигался в водохранилище в год с высоким половодьем и в маловодный
год, но ни в одном году эти воды не достигали плотины.
- Численный эксперимент по расчету генетической структуры водных масс
осуществленный для Можайского водохранилища показал, что в маловодные годы нагрузка
водохранилища аллохтонным фосфором сокращается вдвое. Возрастает в эти годы роль
накопленных зимой автохтонных биогенных веществ. Для их выноса из придонных
горизонтов особенно важна не только весенняя конвекция, но и частая смена погоды летом
с чередованием фаз усиления стратификации в антициклоническую погоду и ее разрушения
в циклоническую.
174
3.3 Закономерности гидрохимического режима водохранилищ
3.3.1 Водохранилища москворецкой системы
Влияние водности года на гидрохимичесий режим водохранилищ анализируется по
данным детальных гидролого-гидрохимических съемок Можайского водохранилища,
выполненных в различные по водности годы
маловодные 1973–1975 гг, близкий
к маловодному 1984 г., многоводный 1990 г., и средние по водности 2000 и 2012 гг.
Формирование
гидрологической
структуры
Можайского
водохранилища
в маловодные 1973-1975 годы. Для сравнительной оценки воздействия гидрологической
структуры на круговорот биогенных и органических веществ в экосистемах москворецких
водохранилищ в вегетационный период наибольший интерес представляют семь
квазисинхронных съемок всех 4 водохранилищ, выполненные весной и летом 1973–1975 гг.
Выделение
элементов
их
гидрологической
структуры
сделано
на основе
двухпараметрического анализа пространственного распределения наиболее консервативных
и
репрезентативных
показателей
генезиса
состава
воды – удельной
ее
электропроводности () и перманганатной окисляемости (ПО). Они характеризуют
содержание в воде растворенных аллохтонных минеральных и органических веществ,
поступающих с речным стоком с водосбора (таблица 53) приводятся по данным 5 съемок
осредненные для каждой водной массы значения этих показателей). Последние годы были
в москворецком бассейне маловодными с относительно низким стоком в половодье.
Так обеспеченность притока в гидростворе Москва–Барсуки за 1973/74 в/х г. составляла 76%,
за 1974/75 – 72% и за 1975/76 – 92%, а приток в половодье этих лет имел обеспеченность
более 90%.
Таблица 53 – Электропроводность (, мкСм/см) и перманганатная окисляемость
(ПО, мгО/л) водных масс в вегетационный период в Можайском (Мв), Рузском (Рв),
Озернинском (Ов) и Истринском (Ив) водохранилищах
Водные массы весной
Водные массы летом
ВодоОсновная
Донная
Основная Речная Донная
Речная РВ
храни- Дата
Дата
ВВ
ДВ
ВЛ
РЛ
ДЛ
лище
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО





 ПО
1973 г.
Мв
8.05
200 6,5 170 7,8 215 5,3 7.08 195 7,5 285 7,2 240 7,2
Рв
10.05 220 6,8 200 7,7 390 6,2 15.08 230 7,6 335 н/о 265 8,4
Ов
11.05 230 6,9 195 8,3
- 14.08 235 8,0 245 8,6 265 8,2
Ив
14.05 225 6,0 205 7,6 250 5,4 8.08 240 н/о н/о н/о 250 н/о
1974 г.
Мв
13.05 235 6,9 195 9,4 335 5,6 08.08 200 9,8 220 8,0 240 11,1
Рв
21.05 235 6,6 210 11,2 - 07.08 220 12,4 235 8,6 240 13,6
Ов
21.05 235 7,1 200 10,8 - 06.08 215 9,5 225 8,5 265 9,5
Ив
22.05 255 7,3 215 7,8
- 05.08 215 8,8 240 6,5 310 10,0
1975 г.
Мв
22.04 225 6,3 160 9,6
Рв
24.04 240 6,3 165 9,5
Ов
24.04 210 6,7 150 9,8
Ив
23.04 270 6,2 205 7,6
Примечание – прочерк обозначает отсутствие такой водной массы в данный год,
н/о - параметр в данную съемку не определялся.
175
Майские съемки проводились в момент окончания половодья на притоках
и достижения уровнем воды в водохранилищах наивысшей отметки (в Можайском
водохранилище он был во время такой съемки в 1973 г. на 1,4 м ниже НПУ, в 1974 г. - у НПУ
и в 1975 г. – на 0,4 м ниже НПУ). К этому моменту в водохранилищах завершилось
формирование основной весенней водной массы ВВ в приплотинных районах. Она
образуется в результате смешения речных вод начала половодья и зимних вод, оставшихся
в водоеме к началу водохозяйственного года. Воды ядра и спада половодья сформировали
речную весеннюю водную массу РВ в центральных районах всех водохранилищ, во все
три весны более теплую, менее минерализованную и плотную, с существенно большим
содержанием органических веществ (ПО, цветность) по сравнению с водами ВВ. Донная
водная масса ДВ возникла лишь в 1973 г. в результате смешения зимних вод РЗ и ДЗ
из-за того, что в апреле сброс воды из водохранилищ был наименьшим за эти годы
(отмечалась она в Можайском водохранилище и в 1974 г., но ее объем был очень мал).
По сравнению с другими весенними водными массами она была наиболее минерализована
и имела наименьшую окисляемость. В Озернинском водохранилище такой водной массы
не было в связи с тем, что в приплотинном его районе большой объем занимала речная
весенняя водная масса, поступившая в него, по-видимому, из приустьевого залива р. Хлынья.
Верхние районы водохранилищ в этот момент были заняты зоной смешения весенних
и летних меженных речных водных масс.
Из-за наибольшей предполоводной сработки водохранилищ в 1973 г. наблюдалось
наиболее глубокое, по сравнению с последующими вёснами, проникновение вод половодья
в водохранилища, более высокая их доля в составе водной массы ВВ и поэтому наименьшее
различие значений  и ПО в водных массах ВВ и РВ. Более многоводной весной 1975 г.
эти различия были наибольшими (таблица 53). В рассматриваемые годы наименьшей
минерализацией речной РВ и основной ВВ водных масс характеризовались Можайское
и Озернинское водохранилища. Самая большая минерализация и наименьшая окисляемость
воды весной характерна для Истринского водохранилища из-за более высокой доли
грунтового питания его притоков.
По данным съемок, выполненных в III декаде июня 1973 и 1974 гг., приплотинные
и центральные районы всех водохранилищ занимали крупные основные летние водные
массы ВЛ, образовавшиеся в результате полного смешения водных масс ВВ и РВ.
В придонном слое этих районов возникла донная водная масса ДЛ, которая включает в себя
воды ДВ. В случаях ее отсутствия весной оба показатели генезиса воды ДЛ мало
отличаются от ВЛ. Но между обеими водными массами расположен слой температурного
скачка, поэтому они существенно различны по значениям неконсервативных
характеристик – содержания О2, биогенных минеральных веществ, величины рН. К августу
различие значений  и ПО в воде ВЛ и ДЛ увеличивается, во-первых, из-за понижения
электропроводности в поверхностном слое ВЛ при цветении и, во-вторых, из-за увеличения 
в ДЛ вследствие подпитки этой водной массы сильнее минерализованными подземными
водами (они выклиниваются в ложе при летне-осеннем понижении уровня воды
в водохранилище) и речными водами РЛ. Водная масса РЛ летом и осенью занимает целиком
верхние районы водохранилищ и из-за большей своей плотности при похолоданиях
подтекает под более прогретую основную водную массу ВЛ. Для Истринского
176
водохранилища характерно неглубокое залегание слоя температурного и плотностного
скачка, поэтому в нем толщина слоя ДЛ наибольшая, в Озернинском водохранилище она
формируется, по-видимому, намного позже, так как в июньских съемках ее признаки
отсутствовали.
Особенность гидрологической структуры москворецких водохранилищ в осенние
месяцы в том, что фронтальные зоны между водными массами не наклонны, а как и весной
после схода льда, вертикальны и более размыты вследствие интенсивного конвективного
перемешивания вод при их осеннем выхолаживании. Все более расширяющаяся к моменту
ледостава фронтальная зона между водными массами ВЛ и РЛ становится очагом
формирования однородной и полностью насыщенной О2 основной зимней массы (ВЗ)
водохранилищ.
Особенности гидрологической структуры Можайского водохранилища в 1984
году. В 1984
году
исследования
Можайского
водохранилища
методом
гидролого-гидрохимических съемок проводились в течение всего года, но для нашего
анализа наибольший интерес представляют результаты съемок, характеризующие
гидрологическую структуру водохранилища в вегетационный период.
Для характеристики состава генетически различных водных масс анализируются
данные пяти съемок Можайского водохранилища в вегетационный период 1984 г., когда
впервые были выполнены массовые анализы воды на содержание в ней общего
фосфора (ТР). Этот год также был относительно маловодный, с низким половодьем
(всего 48% годового притока воды в водоем), а наивысший уровень воды в нем был
ниже НПУ на 0,6 м. Результаты наблюдений за распределением фосфора в водохранилище
представлены в таблице 54.
Таблица 54 – Среднее содержание общего фосфора (мкг Р/л) в водных массах
Можайского водохранилища в вегетационный период 1984 г.
Водные массы
Водные массы
Дата
Водные массы летом
Дата
весной
осенью
ВВ
РВ
ДВ
ВЛ
РЛ
РП
ДЛ
ВЛ
РЛ
РП
28.04 115
85
55 21.06
35
75
95
02.10 100 93
390
29.05 35
44
22.08 48-248 80
175
280 11.11 40
85
135
Из данных таблицы 54 видно, насколько существенно различаются по содержанию ТР
водные массы. В последующие годы стало ясно, что химический состав и биогенная
нагрузка водной массы ВВ может особенно сильно варьировать от года к году в зависимости
от соотношения объемов образующих ее 4 исходных масс – основной зимней ВЗ,
образовавшейся осенью и трансформировавшейся в течение 4–5 месяцев под ледяным
покровом благодаря процессам самоочищения, речной зимней РЗ, донной зимней ДЗ,
наиболее обескислороженной и насыщенной продуктами регенерации минеральных веществ
из разложившегося детрита, в том числе и минеральным фосфором, и РВ. 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
воды РЗ, поступающие к ней в виде придонного плотностного транзитного течения,
а в периоды резкого увеличения расхода в сброс вовлекается больший объем вод ВЗ. Объем
Дата
177
четвертой водной массы РВ, участвующий в формировании сначала весенней (ВВ), а затем
и летней (ВЛ) модификации основной 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 внутренней)
фосфорной нагрузки приплотинных и центральных районов водохранилищ в период
весенней вспышки цветения преимущественно диатомовыми водорослями.
В редкие годы с многоводным половодьем водообмен водохранилищ особенно
интенсифицируется при больших попусках воды для промывки р. Москвы. Тогда в них
происходит частичное вытеснение весенней водной массой РВ в нижний бьеф зимних вод
даже из приплотинных районов. В такие годы весной и летом вода в них заметно менее
минерализована, имеет более высокие значения цветности и перманганатной окисляемости
по сравнению с годами с маловодной весной.
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 РП
летних паводков поступают в исключительно редкие годы (такие как 1962), летняя
фосфорная нагрузка формируется весной в процессе возникновения массы ВЛ, а затем
изменяется внутримассовыми процессами обмена между трофогенным и трофолитическим
слоями этой водной массы, рассматриваемыми ниже.
Таким образом, на основе данных мониторинга о зимнем гидрологическом режиме и
предполагаемой глубине предвесенней сработки москворецких водохранилищ при
поступлении прогноза объема предстоящего половодья принципиально возможен и прогноз
фосфорной нагрузки водохранилищ в начале вегетационного периода на базе
прогностических
расчетов
по гидрологической
модели
(ГМВ-МГУ)
долинных
водохранилищ.
Результаты гидролого-гидрохимического обследования москворецких водохранилищ
весной и летом 1990 г. Гидрологическая структура Можайского водохранилища к первой
декаде апреля многоводного 1990 года имела характерный для этого водохранилища вид:
в средней части водохранилища располагалось ядро речной водной массы, сформированное
водами половодья, в верхней части более минерализованные воды рек Москвы и Лусянки,
уже слабо стратифицированные по температуре, в нижней очень однородная по вертикали
водная масса, образовавшаяся в результате смешения зимних и речных весенних вод.
Благодаря весенней конвективной циркуляции, интенсифицированной большими сбросами
воды через поверхностные и придонные отверстия гидроузла водная масса всего нижнего
района водохранилища оказалась перемешанной до дна.
Рузское водохранилище имело сходную гидрологическую структуру, однако
в верхнем районе водохранилища отмечалась более ярко выраженная стратификация воды,
формированию которого способствовало резкое, более чем трехкратное снижение
интенсивности водообмена во вторую фазу весеннего периода.
Озернинское водохранилище в отличие от Можайского и Рузского характеризовалось
ярко выраженной стратификацией как в верхнем, так и в приплотинном районе и состояло
в нижнем районе из двух слоев водным масс – поверхностного и придонного, граница
178
раздела между которыми повышалась от 12 м у плотины до 4-х метров в среднем районе.
Причиной этого явилась крайне слабая проточность водохранилища во вторую фазу
весеннего периода, когда коэффициент водообмена снизился в 6 раз по сравнению с фазой
наполнения, что привело к резкому снижению интенсивности смешения зимних вод
водохранилища (сохранившихся в виде придонной водной массы) с их смесью
с половодными водами р. Хлынья (образовавшей поверхностную относительно теплую
водную массу).
Истринское водохранилище имело более ярко выраженную, чем Озернинское,
двухслойную структуру во всем нижнем районе, обусловленную недостаточно интенсивной
промывкой водохранилища и наибольшей защищенностью водохранилища (по сравнению
с другими москворецкими водохранилищами) высокими и лесистыми берегами от ветрового
воздействия. Последствием этого явилось крайне негативное явление дефицита кислорода
в придонной водной массе, перешедшего от зимнего периода к летнему.
В летний период средние по водохранилищу концентрации валового фосфора были
максимальны
в Можайском
водохранилище – 90 мкг/л,
в Истринском – 56 мкг/л,
в Рузском - 39 мкг/л, наименьшие в Озернинском – 32 мкг/л. Следует отметить, что съемка
Можайского водохранилища проводилась намного раньше остальных водохранилищ,
поэтому с учетом более высокой доли взвешенной формы фосфора в нем, оседающей
в водоеме, полученное превышение не вызвало особых опасений в плане прогноза цветения
водоема, что и подтвердилось гидробиологическими наблюдениями. Общее содержание
органического вещества и его состава во время съемок 1990-го года не отклонялось
от закономерностей, отмеченных для этих водохранилищ ранее.
Таким образом, как следует из анализа гидрологического режима, главной
особенностью формирования химического состава вод водохранилищ в 1990 году явилось
замедление их водообмена во вторую фазу половодья. Вследствие этого в Истринском
и Озернинском водохранилищах сохранялась стратификация водных масс, которая оказала
неблагоприятное влияние на особенности продукционных процессов в летний период.
Результаты гидролого-гидрохимического обследования москворецких водохранилищ
летом 2000 г. Летом 2000 г на Москворецких водохранилищах были проведены по
2 гидролого-гидрохимических съемки: на Рузском 1 и 26 июля, на Озернинском 2 и 26 июля,
на Истринском 4 и 28 июля и на Можайском 10 июля и 10 августа.
Диапазон значений и характер распределения изолиний электропроводности воды
находятся в пределах, наблюдаемых во время летних съемок, проводившихся на Можайском
водохранилище в течение нескольких лет. В съемках 2000 г. приплотинный и центральный
районы
всех
водохранилищ
от
поверхности
до 10 метров
глубины,
а на Истринском - до 5-6 метров заполнены водой летней водной массы водохранилища
с электропроводностью 190-200 мкСм/см в Можайском и Рузском водохранилищах
и 230-240 мкСм/см в Истринском и Озернинском водохранилищах. Эти различия меньше,
чем различия в электропроводности этой водной массы в разные годы в одном
водохранилище.
Имеющиеся различия в условиях формировании химического состава на водосборах
рек-притоков оказывают большее влияние на минерализацию и электропроводность речной
летней водной массы, занимающей летом верховья водохранилищ. Так, в начале
июля 2000 г. в ее ядре и зоне трансформации в Рузском водохранилище электропроводность
179
равнялась 240-370 мкСм/см, в Озернинском – 260-430, Истринском – 260-280 (местами
до 360 мкСм/см) и Можайском – 220-260 мкСм/см. В конце июля наблюдалось несколько
иное соотношение значений, что зависит от условий формирования стока в устьевых районах
притоков.
К концу июля (началу августа на Можайском водохранилище) 2000 г. во всех
водохранилищах
произошло
некоторое
уменьшение
(в среднем
на 10 мкСм/)
электропроводности воды летней водохранилищной водной массы (наиболее выражено
это уменьшение на Озернинском водохранилище, с 240 до 220 мкСм/см), вызванное
продукционно-деструкционными процессами, ее расширение в сторону верховьев
и некоторое заглубление, связанное с опусканием слоя скачка температуры воды.
Сопоставление с величинами электропроводности этой водной массы в 1973 и 1974 гг.
показывает, что их различия находятся в пределах 10-15 мкСм/см.
В отличие
от консервативной
электропроводности
воды
температура - неконсервативная характеристика и трудно ожидать идентичности
ее диапазона и характера распределения во всех водохранилищах при разрыве
в съемках 10 суток. Общие черты – наличие хорошо выраженного слоя скачка
в приплотинном и центральном районах, более глубоко расположенного на Рузском
и Озернинском
водохранилищах,
низкие
температуры
в придонном
горизонте
у плотин (10 °C на Можайском, 11 °C на Озернинском, 12 °C на Истринском и 13 °C
на Рузском водохранилищах). К концу июля – началу августа температура во всех
водохранилищах на поверхности выросла до 21,5 °C, слой скачка опустился,
а поверхностный слой перемешивания стал почти однородным по всему водохранилищу.
Общие черты в содержании растворенного кислорода в начале июля выражены
в близких значениях концентраций в летней основной водной массе (7-10 мг/л в Рузском
и Озернинском и 7-12 мг/л при пяти- и десятидневной сдвижке во времени в Истринском
и Можайском водохранилищах), резком их падении, начиная с верхней границы слоя
температурного скачка и низкой концентрацией (2–0 мг/л) у дна в приплотинном
и центральном районах и более высокой (5–8 мг/л) у дна в верховьях. В Истринском
и Озернинском водохранилищах бескислородная зона поднялась к 8 м, в Можайском она
опустилась на 2–3 м на участке между 7 и 20 км, на Рузском произошел сдвиг
бескислородной зоны с участка между 20 и 30 км на участок между 15 и 20 км.
Особенности в распределении характеристик в Рузском водохранилище 1.07 состояли
в хорошо выраженном нагоне воды у плотины (пониженная прозрачность воды по белому
диску 1,4 м. по сравнению с 2,1 м., характерными для летней водохранилищной водной
массы этого года, сдвиг изолиний электропроводности с наименьшими значениями
(190-200 мкСм/см) в сторону плотины и возникновение нового слоя скачка на 6 м
(при нижнем слое скачка температуры на горизонте около 10 м) и сгоне на 12 км от плотины,
что выразилось в размывании слоя скачка и понижении температуры воды на поверхности
до 17 °C и в уменьшении там содержания кислорода от 10 до 7 мг/л (в пределах, характерных
для летней водной массы водохранилища).
В Озернинском водохранилище приплотинный район 2 июля 2000 г был занят
сравнительно однородной по минерализации воды основной летней водной массой
(с электропроводностью 240-250 мкСм/см), которая была расслоена по температуре воды
(17-19 °C в верхнем слое, 16-14 °C в слое скачка и 11-12 °C у дна) и содержанию
180
кислорода (7-10 мг/л, 6-3 мг/л и и до нуля у дна соответственно. Верховья заняты водами
р. Озерны, с температурой воды 17-19 °C, содержанием кислорода 5-10 мг/л, но
со значительно более высокой электропроводностью 280—430 мкСм/см, подтекающими
в центральной части под основную летнюю водную массу.
В Истринском водохранилище степень изменчивости рассматриваемых характеристик
можно проследить по данным 3 съемок, проведенных 4, 5 и 6 июля 2000 г. В Истринском
водохранилище слой температурного скачка в начале лета расположен высоко сравнительно
с другими водохранилищами, на глубине 5-7 метров. Это определяет и глубину его основной
летней
водной
массы.
Электропроводность ее
в течение 3 дней
не изменилась,
но расширился ареал внутри изолинии с минимальной электропроводностью 230 мкСм/см.
В центральном районе водохранилища проявляются подтекающие под основную водную
массу более минерализованные и холодные, с меньшим содержанием кислорода, воды
боковых
притоков.
Речная
летняя
водная
масса,
занимающая
верховья
водохранилища (от 14 км от плотины и выше) в придонных горизонтах спускается до 8 км,
где и смыкается с донной летней водной массой водохранилища, обладающей температурой
воды 15-12 °C, электропроводностью 250-260 мкСм/см и содержанием кислорода 1-2 мг/л.
В районе 10-12 километров у дна наблюдаются нулевые концентрации кислорода. Здесь,
видимо, также как в Озернинском водохранилище, место накопления аллохтонных
органических веществ.
На Можайском водохранилище съемка проведена 10 июля. Распределение
характеристик свидетельствует о существовании в этот день сгона у плотины и нагона
в центральной части водохранилища. У плотины слой скачка размыт, а в местах нагона
на глубине 5 м – обострен. Донная летняя водная масса в приплотинном районе мало
отличается по электропроводности от основной (200 мкСм/см), внутри нее расположен
сезонный слой скачка температуры от 15 до 10 °C, концентрации кислорода здесь – 1–2 мг/л.
Речная летняя водная масса в зоне смешения с основной втекает в слой равной с ней
плотности, и поэтому во всем верховье в той или иной степени существует слой скачка
температуры и небольшая стратификация по кислороду 8–6 мг/л (100–80% насыщения).
В солевом составе вод москворецких водохранилищ в летний период 2000 г.
не отмечено существенных отклонений от среднемноголетних величин Сохраняется
гидрокарбонатно-кальциевый состав вод с минерализацией воды в водохранилищах:
175-250 мг/л (Можайское),
190-250 мг/л (Рузское),
200-280 мг/л Озернинское)
и 220-280 мг/л ( Истринское) Отмечается, как и в предыдущие годы, вертикальная
и горизонтальная химическая неоднородность вод во всех водохранилищах. В приведенных
выше диапазонах минерализации воды меньшие значения относятся к поверхностным
горизонтам, а большие – к придонным.
При исследовании процессов эвтрофирования наибольшее внимание привлекает
соотношение составляющих карбонатно-кальциевой системы и их связь с показателями
продукционно-деструкционных процессов. В летний период во всех водохранилищах
в поверхностном горизонте обнаружены карбонатные (СО3) ионы, содержание которых
достигает 18-20 мг/л (Можайское),
16-17 мг/л (Рузское),
10-15 мг/л (Озернинское)
и
21-25 мг/л (Истринское). При этом концентрация СО3 хорошо согласуется с величинами рН,
пересыщением воды кислородом и ее прозрачностью. Карбонатные ионы, как правило,
появляются при рН больше 8,2 ,их содержание не превышает 3-6 мг/л и далее с ростом
181
величины рН их концентрация увеличивается до 20-25 мг/л. Максимальные значения рН
и концентрации СО3 отмечены в воде Истринского и Озернинского водохранилищ в конце
июня, что соответствует большей интенсивности продукционных процессов в них
по сравнению с Рузским и Можайским.
В распределении суммарного органического вещества (ХПК) сохраняется, как и
в прежние годы, значительная пространственная неоднородность за счет пятнистости
распределения
автохтонной
органики,
преобладающей
в этот
лимитирующий
продукционно-деструкционные процессы сезон (таблица 55).
Таблица 55 – Диапазоны и средние значения ХПК (мг/л) по данным летних
съемок 2000 г.
Содержание органического вещества
Водохранилище
Характеристика
начало июля
конец июля
диапазон
16,1-25,0
15,4-31,5
Рузское
среднее
19,3
20,4
диапазон
14,4-20,8
16,0-24,2
Озернинское
среднее
17,2
19,5
диапазон
16,0-41,0
17,6-38,9
Истринское
среднее
24,4
29,0
Максимальные значения ОВ (ХПК) наблюдались в конце июня в Истринском
водохранилище. В целом, отмечается увеличение содержания ОВ к концу июня во всех
водохранилищах, что отчетливо коррелируется с изменением содержания и других
показателей продукционно-деструкционных процессов.
По содержанию фосфора (минерального и общего) не было отмечено существенных
отклонений
от известных
закономерностей
круговорота
биогенных
элементов
в водохранилище. Даже сравнительно небольшое количество отобранных проб позволяет
установить статистически значимые корреляционные связи между показателями
химического состава воды и характеристиками состояния водоема, главным образом,
оптическими, связанными с продукционными процессами в этот период. Пример такой
зависимости представлен на рисунке 66.
Разность фосфора, мкг/л
30
R2 = 0,6929
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
Прозрачность, м
Рисунок 66 – Связь прозрачности вод с разницей содержания фосфора в
нефильтрованных и фильтрованных пробах вод (взвешенный фосфор)
182
Особенности гидрологической структуры Можайского водохранилища в 2012 году.
В среднем по водности в 2012 году проведено 11 съемок Можайского водохранилища,
результаты которых позволяют проанализировать изменение гидрохимического режима
водохранилища в различные сезоны.
По данным термокондуктометрического зондирования гидрологическая структура
водохранилища характеризовалась следующими особенностями.
В январе хорошо прослеживается обратная температурная стратификация,
сформировавшаяся за месяц ледостава: температура воды нарастает от 0 °C в поверхностном
слое на границе лед-вода, до 2,5 °C в придонных горизонтах. Для минерализации вод в этот
период характерна горизонтальная неоднородность: электропроводность в верхнем районе
от 300 в поверхностных до 420 мкСм/см в придонных горизонтах, в приплотинном
районе 250-280 мкСм/см в поверхностных горизонтах и 340-360 мкСм/см у дна. Это связано
с поступлением в верховья вод р. Москвы и Лусянки, поскольку в зимнюю межень в реках
преобладает питание высокоминерализованными грунтовыми водами.
В верховьях водоёма содержание растворенного кислорода падает к придонным
горизонтам с 10-11 до 7-8 мг/л (примерно 70-50% насыщения), а в среднем и нижнем
районах от 12 до 4 мг/л, что соответствует 80 и 30% насыщения. Наименьшие концентрации
кислорода приурочены к русловой ложбине, где происходит наиболее активная деструкция
органических веществ. Содержание органического вещества в водохранилище в январе
в водоёме достаточно однородно: величина цветности составила около 20 град Pt-Co,
перманганатная окисляемость – примерно 6 мгО/л, а бихроматная – около 16 мгО/л.
В конце марта водная толща водохранилища представлена тремя водными массами:
основной осенней, речной зимней и донной, они располагаются одна под другой. За счет
более высокой минерализации, определяемой грунтовым питанием рек, зимняя речная масса
занимает промежуточное положение между донной и основной осенней. В мартовской
съемке были отмечены наименьшие за год концентрациями взвешенного вещества, от 2
до 6 мг/л в верхнем и среднем районах и от 2 до 4 мг/л в приплотинном участке (рисунок 67).
183
а)
б)
в)
г)
Рисунок 67 – Пространственное распределение температуры воды T, °C (а), электропроводности воды æ, мкСм/см (б), содержания
растворённого кислорода О2, мг/л (в) и О2, % насыщения (г) по продольному профилю Можайского водохранилища по данным
ГГХС 24 марта 2012 г.
184
В основном объёме водохранилища изменения запаса органического вещества
относительно января незначительны. Но в придонных слоях – можно проследить
продвижение зимних меженных речных вод, бедных органическими веществами, здесь
значения перманганатной окисляемости падают к придоннным горизонтам до 2 мгО/л,
а бихроматной окисляемости – до 10 мгО/л. В последних числах апреля во время весенней
гомотермии рейдовыми наблюдениями была зафиксирована однородность водной толщи
по содержанию растворенного кислорода (рисунок 67а). Концентрации составили 9-10 мг/л
(около 70% насыщения).
Половодье на реках Москва и Лусянка проходило с 5 апреля до 4 мая, разрушение
ледостава зарегистрировано 28-30 апреля. Съемка в середине мая иллюстрирует начало
формирования прямой летней стратификации, после прохождения весеннего половодья
на реках, большой объём водохранилища занимает уже сильно трансформированная к маю
и смешанная с водохранилищными водными массами речная водная масса половодья.
Поскольку температура во всём водоёме уже перешла отметку 4 °C, то более теплые легкие
воды теперь занимают поверхностные горизонты (12-14 °C). Электропроводность в большей
части водохранилища понизилась приблизительно до 200 мкСм/см, поскольку волна
половодья принесла маломинерализованные речные водные массы, которые разбавили
зимнюю водохранилищную массу. Ядро водной массы половодья (140-160 мкСм/см),
расположено в поверхностных слоях в среднем районе водохранилища. Лишь у дна
приплотинного плёса сохраняются остатки холодной (5-6 °C) и более минерализованной
зимней донной водной массы (240-280 мкСм/см).
Съемкой 16 мая было отмечено пересыщение поверхностных горизонтов кислородом,
около 14 мг/л (140% насыщения), в связи с всплеском цветения фитопланктона. Пониженные
концентрации кислорода в верховьях (до 4 мг/л) могут быть обусловлены затратами его
на окисление органических веществ, поступивших в результате смен видового состава:
отмирания одних групп водорослей, осаждения детрита и развития других. В мае главные
источники повышенных значений органического вещества в воде – поступление
в водохранилище в весенний период вод половодья, еще сохраняющих высокие
концентрации.
В период летних съемок (25 июня, 1 и 10 июдя) в водохранилище наблюдалась прямая
температурная
стратификация.
Отмечено
пространственные
неоднородности
в расположении слоя температурного скачка: в верховьях он занимает глубины 3-5 м и
характеризуется градиентом 2 °C на 1 м, а ближе к плотине постепенно заглубляется
до 5-10 м и имеет средний градиент падения температуры 1 °C на 1 м. (пример
распределения температуры воды и гидрохимических характеристик водных масс
водохранилища представлен на рисунке 68).
По электропроводности водная толща практически однородна: от 240 и более
в верховьях до 200 и менее мкСм/см ближе к плотине. Водная масса половодья с низкой
минерализацией полностью смешалась с водохранилищной и достигла приплотинного
участка. В самых верховьях сказывается влияние речных вод: за несколько дней до съёмки
25 июня на реках прошёл пик паводка на реках.
25 июня диапазон содержания растворенного кислорода меняется от 12 мг/л
в эпилимнионе до 0 в гиполимнионе, что свидетельствует о начале формирования зоны
аноксии. Это так называемая фаза «чистой воды», из представителей фитопланктона
185
а)
б)
в)
г)
Рисунок 68 – Пространственное распределение температуры воды T, °C (а), электропроводности воды æ, мкСм/см (б), содержания
растворённого кислорода О2, мг/л (в) и О2, % насыщения (г) по продольному профилю Можайского водохранилища по данным
ГГХС 10 июля 2012 г.
186
а)
б)
г)
в)
Рисунок 69 – Пространственное распределение мутности воды NTU (д), цветности воды ЦВ, град Pt-Co (е), перманганатной ПО (ж) и
бихроматной БО (з) окисляемости, мгO/л по продольному профилю Можайского водохранилища по данным ГГХС 10 июля 2012 г.
187
доминируют сине-зеленые водоросли; их биомасса мала. Уменьшение концентрации
кислорода в придонных горизонтах – результат формирования термоклина.
Повышенные значения концентрации органических веществ в верховьях водоема
25 июня обусловлены паводочными водами притоков. В основном объеме водохранилища
значения цветности и перманганатной окисляемости чуть снизились в среднем до 30 град
Pt-Co и 10 мгО/л соответственно, благодаря процессам самоочищения, органические
вещества, пришедшее с водосбора, оседают и обесцвечивается. А вот среднее значение
бихроматной окисляемости так не снизилось за счет активной вегетации фитопланктона,
которая влияет на образование автохтонного органического вещества, которое увеличивает
бихроматную окисляемость, но почти не сказывается на цветности и перманганатной
окисляемости.
К началу августа диапазон характер распределения температуры воды
в водохранилище сохраняется: 26-28 °C, слой скачка теперь в среднем по водоему занимает
глубины 4–6 м, с градиентом падения температуры около 2 °C на 1 метр. Высокие значения
электропроводности в верховьях водоема 280–360 мкСм/см обусловлены влиянием речных
высокоминерализованных вод,
поскольку
на притоках
период
летней
межени
с преобладающим грунтовым питанием. По данным измерений на притоках 3 августа
удельная электропроводность в р. Москве и р. Лусянке составляла 353 и 481 мкСм/см
соответственно.
Ярко выраженная неоднородность концентраций кислорода поверхностных
горизонтов 7 августа – последствие ветрового перемешивания а также неравномерного
распределения фитопланктона, содержание растворенного кислорода варьирует
от 12 до 6 мг/л. Пересыщение приповерхностных горизонтов – результат интенсивного
цветения фитопланктона. Придонные горизонты в августе по-прежнему характеризуются
дефицитом кислорода. В среднем по водохранилищу зона аноксии начинается с 6 м глубины.
Съемкой 7 августа было отмечено присутствие сероводорода в воде, в среднем
по водохранилищу начиная с 8 м глубины.
В распределении
концентраций
органического
вещества
по бихроматной
окисляемости в августе отмечается два максимума: поверхностный (32 мгО/л) за счет
цветения фитопланктона и придонный (34 мгО/л), совпадающий с максимумами мутности
и цветности,
связанный
с осаждением
детрита,
продуктов
жизнедеятельности
фитопланктона.
29 августа зафиксировано начало разрушения летней стратификации. В верхнем и
среднем районах водохранилища, а также на мелководьях, перемешивание достигло дна
и обеспечило однородность водной толщи по температуре. В верховьях водоема температура
воды – 16 °C, в среднем районе – 17 °C, а в нижнем – 18 °C до 10 м, после чего убывает
с глубиной до 8 °C. Таким образом, температурный скачок сохранился только
в приплотинном участке и располагается на глубинах 12-14 м, с градиентом 1 °C на метр.
В верхней части водохранилища водная толща однородна по содержанию растворенного
кислорода – 7,6 мг/л, 79% насыщения; а в среднем и нижнем районах до 8–12 м, но
в придонных горизонтах, не затронутых перемешиванием, кислород по-прежнему
отсутствует. Однородна в этот период водная масса верхней и средней части водохранилища
и по содержанию органического вещества и взвешенного вещества (рисунок 70).
188
а)
б)
в)
г)
Рисунок 70 – Пространственное распределение мутности воды NTU (а), цветности воды ЦВ, град Pt-Co (б), перманганатной ПО (в)
и бихроматной БО (г) окисляемости, мгO/л по продольному профилю Можайского водохранилища
по данным ГГХС 29 августа 2012 г.
189
Съемка 1 ноября – типичный пример осенней гомотермии: за счет охлаждения
поверхностных слоев и мощного ветрового перемешивания смешались донная и летняя
водохранилищные водные массы сформировав однородную осеннюю. Теперь температура и
электропроводность однородны по вертикали, но различны в отдельных районах водоёма.
Верховья
водохранилища – самые
холодные (1-2 °C),
с
пониженными
значениями
электропроводности – это влияние холодных маломинерализованных вод притоков, поскольку
на реках в это время наблюдались паводки. В среднем участке водохранилища температура 5-6 °C,
электропроводность 260-240 мкСм/см, в приплотинном участке – соответственно 6-7 °C
и 220 мкСм/см.
Распределение растворенного кислорода благодаря заглублению слоя скачка, его
исчезновению и полному перемешиванию характеризуется однородностью по вертикали,
но содержание кислорода изменяется в продольном профиле: от 12 мг/л в верховьях до 8 мг/л
в приплотинном участке. Насыщение воды растворенным кислородом не опускается ниже 70% .
В осенний период в среднем и приплотинном участке наблюдается общее снижение содержания
органического вещества, поскольку процесс цветения уже практически прекратился, а доминирует
осаждение взвесей и деструкция органических соединений.
Таким образом, сезонные съемки водохранилища в средний по водности год характеризуют
закономерное сезонное изменение гидрологической структуры водных масс водоема и связанное
с ним изменение важнейших гидрохимических характеристик: содержание в воде взвешенных и
органических веществ и распределение растворенного кислорода.
3.3.2 Водохранилища Волжской системы водоснабжения
В Москворецких водохранилищах влияние водности года на гидрохимический режим
прослеживалось на примере анализа гидролого-гидрохимической структуры водохранилища
в конкретные годы, в которые проводились детальные съемки водохранилища. В системе
волжского источника водоснабжения, как показано в предыдущем разделе действует сеть
постоянного мониторинга качества воды, поэтому имеется возможность проанализировать
особенности трансформации качества воды в водохранилищах в различные по водности годы.
С этой целью из всего ряда наблюдений (1957-2004) были выбраны серии из 8 лет,
характеризующиеся пониженным и повышенным стоком и по этим сериям проведено осреднение
показателей качества воды. Выбранные серии лет характеризуются величинами обеспеченности
годовых расходов воды рр. Волга и Тверца, представленные в таблице 56.
Таблица 56 – обеспеченность годовых расходов воды маловодных и многоводных лет в
волжском источнике водоснабжения
Маловодные годы
1965
1967
1972
1975
1992
1993
1996
2002
Обеспеченность
96
90
88
97
85
87
95
85
Многоводные годы
1980
1981
1982
1986
1990
1998
2003
2004
Обеспеченность
6
12
18
18
2
1
19
10
Анализ изменений качества воды проводился по ряду гидрохимических показателей,
характеризующих различный генезис связи состава воды с величинами речных расходов воды,
190
т.е. с величиной водности. К числу выбранных для анализа и характеризующихся наибольшей
полнотой регулярных наблюдений отнесены:
- железо, марганец,
- аммонийный ион, нитраты,
- фосфаты, растворенный кислород,
- перманганатная окисляемость, хлориды.
Для анализа влияния водности вычислялись среднемноголетние за выбранные серии лет
значения этих показателей в следующих пунктах наблюдений:
- р. Волга, р. Тверца, (основные притоки Иваньковского водохранилища)
- д. Городня, 1 паромная переправа канала им. Москвы (Иваньковское водохранилище),
- Пестово, водозабор «Уча» и Листвянская ГЭС (Учинское водохранилище).
Результаты проведенных обобщений по сериям лет представлены на рисунке 71.
Железо и марганец. Эти два показателя имеют важное значение для волжского источника,
поскольку концентрации их естественного фона близки к предельно допустимым для питьевого
водоснабжения, а иногда наблюдается и превышение ПДК. Основной источник поступления этих
элементов в реки – смыв с поверхности водосбора продуктов разложения растительности и лесной
подстилки. Поэтому в многоводные годы их концентрации в реках заметно возрастают. Этот рост
концентраций прослеживается во всех пунктах системы водоснабжения вплоть до водозаборов
водопроводных станций. Однако, если для железа характерно существенное снижение
концентраций в участках системы с замедлением водообмена, то концентрации марганца
снижаются только в Учинском водохранилище, а в Иваньковском они даже несколько
повышаются. Основной механизм трансформации форм этих элементов с переменной
валентностью – переход растворимых закисных форм и нерастворимые (взвешенные) окисные
формы с последующих их осаждением в условиях замедленного водообмена. Причиной
повышения марганца в Иваньковском водохранилище может быть наличие внутренних
источников марганца, в частности поступление марганца при разложении обильной высшей
водной растительности Шошинского плеса. В Учинском водохранилища снижается
как содержание железа, так и марганца. До Учинского водохранилища снижение концентраций
железа и марганца в водоисточнике происходит практически одинаково как в многоводные, так
и в маловодные годы. А в Учинском водохранилище влияние водности проявляется по разному.
В маловодные годы и железо и марганец в водохранилище почти не снижаются, тогда как
в многоводные годы роль Учинского водохранилища в самоочищение водоема от этих вещества
весьма заметна. Ландшафтные особенности водосбора р. Тверцы (высокая заболоченность)
обуславливают
более
высокие
концентрации
железа
и марганца
в этой
реке
по сравнению с р. Волга. Увеличение расходов воды в этих реках приводит к пропорциональному
росту концентраций рассматриваемых элементов в обеих реках.
191
Ж елезо общее (мг/л)
Марганец (мг/л)
0.45
0.16
0.40
0.14
0.35
0.12
0.30
0.10
0.25
0.08
0.20
0.15
0.06
0.10
0.04
0.05
0.02
0.00
Волга
Тв ерца
Городня
1 п/п
Малов одные годы
Пестов о
Уча
ЛГЭС
0.00
Волга
Тв ерца
Многов одные годы
Городня
1 п/п
Малов одные годы
Пестов о
Уча
ЛГЭС
Многов одные годы
Нитраты (мг/л)
Аммонийный ион (мг/л)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
Волга
Тв ерца
Городня
1 п/п
Малов одные годы
Пестов о
Уча
Волга
ЛГЭС
Тв ерца
Городня
1 п/п
Малов одные годы
Многов одные годы
Пестов о
Уча
ЛГЭС
Многов одные годы
Растворенный кислород (мг/л)
Фосфаты (мг/л)
9.60
0.200
0.180
0.160
0.140
0.120
9.40
9.20
9.00
8.80
0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0.000
8.60
8.40
8.20
8.00
Волга
Тв ерца
Городня
1 п/п
Малов одные годы
Пестов о
Уча
ЛГЭС
Волга
Многов одные годы
Тв ерца Городня
1 п/п
Малов одные годы
Перманганатная окисляемость (мгО/л)
Пестов о
Уча
ЛГЭС
Многов одные годы
Хлориды, (мг/л)
16.00
10.00
14.00
9.00
8.00
12.00
7.00
10.00
6.00
8.00
5.00
4.00
6.00
3.00
4.00
2.00
2.00
1.00
0.00
0.00
Волга
Тв ерца Городня
1 п/п
Малов одные годы
Пестов о
Уча
ЛГЭС
Волга
Тв ерца Городня
1 п/п
Малов одные годы
Многов одные годы
Пестов о
Уча
Многов одные годы
Рисунок 71 – Изменение качества воды в различных участках волжского источника
водоснабжения в различные по водности годы
192
ЛГЭС
Минеральные формы азота. Изменение содержания в воде аммонийного иона в большей
степени, чем других формы азота, связано с антропогенным загрязнением. В волжской системе
водоснабжения имеется один ярко выраженный участок, где антропогенное влияние в виде
поступления загрязнений в водные объекты проявляется особенно отчетливо. Это пункт
наблюдений – верховья
Иваньковского
водохранилища – д. Городня, – расположенный
ниже г. Тверь, сточные воды которого оказывают заметное влияние на формирование качества
воды водоисточника. Интенсивность этого влияния зависит от величины разбавляющих расходов
воды, т.е. от водности года. В маловодные годы концентрации аммонийного иона в реках Волга и
Тверца заметно снижаются, что обусловлено снижением интенсивности смыва биогенных веществ
с поверхности бассейна в периоды половодья и паводков (также как для железа и марганца).
Однако, ниже г. Тверь в маловодные годы концентрации аммонийного иона оказываются выше,
чем в многоводные, поскольку уменьшается разбавление сточных вод города. В Иваньковском
водохранилище и водохранилищах водораздельного бьефа содержание аммонийного иона
снижается вследствие преобладания окислительных процессов. В водохранилищах водораздела
это снижения незначительно как в маловодные, так и в многоводные годы, а в Учинском
водохранилище в маловодные годы это снижение заметно выше, чем в многоводные годы.
Концентрации нитратов во всех водных объектах источника водоснабжения существенно
выше в многоводные годы, чем в маловодные. В Иваньковском водохранилище концентрации
нитратов несколько снижаются, а в водохранилищах водораздельного бьефа и в Учинском даже
немного увеличиваются вследствие окисления аммонийного иона. Водность года
на трансформацию нитратов в системе водоисточника влияние практически не оказывает.
Фосфаты и растворенный кислород. Изменения концентрации фосфатов в зависимости
от водности года в волжском источнике водоснабжения происходит примерно так же, как
и изменения аммонийного иона. В многоводные годы концентрации фосфатов в питающих
Иваньковское водохранилище реках значительно увеличиваются, а ниже г. Тверь вследствие
влияния сточных вод г. Тверь концентрации выше в маловодные годы при ухудшении условий
разбавления загрязнений. Однако, в реках изменения фосфатов в годы различной водности
намного больше, чем для аммонийного иона: в р. Волга – более, чем в 2 раза. В Иваньковском
водохранилище, водохранилищах водораздельного бьефа и в Учинском водохранилище
концентрации фосфатов снижаются как в многоводные, так и маловодные годы, и это снижение
заметно больше, чем снижение концентраций аммонийного иона. Причина снижения
концентраций фосфатов насколько иная – соосаждение сорбированных на взвесях фосфатов.
В многоводные годы заметно повышается содержание взвешенного вещества в водных объектах
водоисточника, что и усиливает самоочищение водохранилищ от фосфатов.
Растворенный кислород – единственный показатель, концентрации которого в маловодные
годы во всех объектах выше, чем в многоводные годы. По всей видимости, здесь важную роль
начинают играть продукционные процессы, более интенсивные в маловодные (обычно
жаркие) годы. Повышение роли процессов фотосинтеза в маловодные годы приводит
к увеличению средних концентраций кислорода в воде водохранилищ, которое явно сильнее
проявляется в верховьях Иваньковского водохранилища, чем в водохранилищах водораздельного
бьефа.
193
Перманганатная окисляемость и концентрации хлоридов. Показатели содержания
доминирующего в волжских водах природного органического вещества в многоводные годы
в большинстве пунктов увеличиваются, однако разница между многоводными и маловодными
годами не превышает 10%, а в Тверце вообще не наблюдается. Снижение величин перманганатной
окисляемости от верховьев до водозаборов водопроводных станций характерно как для периода
маловодья, так и для многоводных лет. В отличие от органического вещества, содержание
которого связано с водным стоком прямой зависимостью, концентрации хлоридов понижаются
в реках в многоводные периоды. Концентрации хлоридов увеличиваются из-за преобладания
грунтового питания в маловодный период, а наибольшее увеличение наблюдается в п. Городня,
что, по-видимому, связано еще и с уменьшением интенсивности разбавления сточных
вод г. Твери, концентрации хлоридов в которых всегда повышены. Изменений этого
консервативного показателя в водных объектах водоисточника практически не происходит.
Выводы раздела
- Межгодовая изменчивость общей (внешней и внутренней) фосфорной нагрузки
приплотинных и центральных районов водохранилищ в период весенней вспышки цветения
преимущественно диатомовыми водорослями обусловлена сочетанием гидрологических
процессов в водохранилищах в период весеннего наполнения.
- В маловодные годы нагрузка водохранилища аллохтонным фосфором сокращается вдвое.
Возрастает, следовательно, роль накопленных зимой в осенней модификации ОВМ автохтонных
биогенных веществ.
- В многоводные годы главной особенностью формирования химического состава вод
водохранилищ является замедление их водообмена во вторую фазу половодья. Вследствие этого
в водохранилищах сохраняется стратификация водных масс, которая оказывает неблагоприятное
влияние на особенности продукционных процессов в летний период.
- В средние по водности годы общие черты сезонных изменений гидрологической
структуры водных масс водохранилища и гидрохимического режима соответствуют
общеизвестным закономерностям.
- Концентрации большинства показателей качества воды В Волжском источнике
водоснабжения г. Москвы в многоводные годы увеличиваются вследствие существования прямой
связи между расходами воды в реках и содержанием биогенных и органических веществ.
- В маловодные годы более резко проявляется влияние сточных вод г. Тверь, т.к. в этот
период ухудшаются условия разбавления загрязнений в верхней части Иваньковского
водохранилища.
- В маловодный период отмечено увеличение концентраций растворенного кислорода
и хлоридов. Вероятная причина роста концентраций кислорода – более благоприятные условия
для фотосинтеза в жаркие маловодные годы. Увеличение хлоридов связано с ростом доли
подземного питания в меженный период.
194
3.4 Условия развития фитопланктона в водохранилищах
4
3
2
1
0
Ли
ст
И
вя
кш
нс
а
к
Во
ая
до
ГЭ
за
С
бо
р
"У
ча
"
1
па
ро
м
13
Ро пар
ом
жд
ес
тв
ен
о
П
ес
то
Во
во
до
П
за
ял
бо
о
р
"К во
ля
зь
ма
"
Биомасса, мг/л
3.4.1 Основные закономерности развития фитопланктона в водохранилищах
водоснабжения г. Москвы
Изучение фитопланктона имеет большое значение при определении состояния водоемов,
для оценки качества воды в них. Значительное развитие фитопланктона известно для многих
водоемов и носит название «эвтрофирование». К «эвтрофным» относятся высокопродуктивные
водоемы, в которых водоросли при фотосинтезе создают большое количество органического
вещества, служащего обильной пищей для всех других обитателей вод, в том числе рыб.
Особенности
развития
фитопланктона
водохранилищ
водораздельного
бьефа
канала им. Москвы и москворецких водохранилищ рассматриваются на основе анализа
материалов многолетних наблюдений МГУП «Мосводоканал».
3.4.2 Фитопланктон водохранилищ водораздельного бъефа канала им. Москвы
Регулярные наблюдения за фитопланктоном проводятся на сети станций мониторинга
качества воды лабораториями КИМ. Поскольку продолжительность рядов наблюдений и частота
отбора проб на разных станциях различны, для анализа выбраны пункты, по которым имеется
наиболее полная информация. К ним относятся: Водозабор «Уча», Листвянская ГЭС, Пестово,
1 паром. переправа, 13 паром. переправа. Биомасса фитоплантона на этих станциях пересчитана
по средним размерам клеток, приведенных в опубликованных материалах и измеренными нами
при изучении фитопланктона подмосковных водоемов.
На рисунке 72 представлены средние многолетние (за 1961-2004 гг.) данные о биомассе
фитопланктона водохранилищ водораздельного
бъефа канала
B_Сум вегет (1961-2004),
мг/л им. Москвы в период вегетации,
а также – для сравнения – биомасса фитопланктона других подмосковных водохранилищ.
Рисунок 72 – Средние за вегетационный период значения биомассы фитопланктона в
водохранилищах водораздельного бъефа (1961-2004 гг.)
Наибольшее развитие фитопланктона наблюдается в Клязьминском, Пяловском и
Пестовском водохранилищах, наименьшее – в Учинском и Икшинском, а также в канале
у 1-ой паромной переправы. Сравнение с другими подмосковными водоемами показывает,
что уровень
развития
фитопланктона в водохранилищах КИМ
существенно
меньше,
195
чем в Москворецких водохранилищах и близок к таковому Вазузского и Яузского водохранилищ.
Одна из причин этого – разный уровень содержания биогенных веществ в этих водоемах.
На рисунках 73 и 74 представлен состав фитопланктона водохранилищ КИМ – по
основным систематическим группам водорослей. Видно, что основную часть биомассы
фитопланктона составляют диатомовые водоросли; синезеленые не являются доминирующими
и это - благоприятный признак, подтверждающий сравнительно невысокий трофический статус
рассматриваемых водоемов. Доля синезеленых возрастает при рассмотрении численности
(рисунок 74), поскольку их клетки, как правило, мелкие и большую биомассу они не создают.
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
100%
80%
60%
40%
20%
0%
а
о
й
о
о
а"
а"
м
м
м
С
бу кш аро Г Э "Уч аро вен аро лов тов зьм
,
И п
п
ст 3 п Пя Пес ля
хр
ая ор
е
7
1
д
к
д
в
1
"К
нс заб
ж
е
р
я
о
о
о
о
в
к
Р
аб
с т Вод
нс
з
и
и
Л
до
Уч
Во
Биомасса фитопланктона - распределение по группам
водорослей, % (4-9 мес, 1961-2004 гг.)
Рисунок 73 – Распределение биомассы фитопланктона по группам водорослей
(в вегетационные периоды 1961-2004 гг.)
196
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
100%
80%
60%
40%
20%
Уч
ин
ск
ое
вд
хр
,б
уй
И
кш
Ли
7
а
ст
вя пар
н
Во ска ом
до я Г
за
бо ЭС
р
"У
ча
1
"
Ро п а
р
жд
о
ес м
тв
е
13 но
па
ро
П м
Во
ял
о
до
П во
за
бо ес
т
р
"К ово
ля
зь
ма
"
0%
Рисунок 74 – Распределение численности фитопланктона по группам водорослей
Численность
фитопланктона
- распределение
(в вегетационные
периоды
1961-2004 гг.)по
группам
водорослей,
%
(4-9
мес,
1961-2004
гг.) 75) показывает, что доля
Сравнение с другими подмосковными водоемами
(рсиунок
синезеленых водорослей в водохранилищах водораздельного бьефа значительно меньше,
чем в Москворецких водохранилищах.
Прочие
Диатомовые
Зеленые
Динофитовые
Синезеленые
Биомасса, %
100
80
60
40
20
ин
ск
рн
Оз
е
ай
ск
ож
М
ое
ое
ое
ск
Ру
з
ое
ск
Яу
з
Ва
з
уз
cк
ое
0
Рисунок 75 – Состав фитопланктона подмосковных водохранилищ (средние многолетние
значения в период вегетации)
197
Сезонные изменения биомассы фитопланктона являются важной характеристикой, которая
может использоваться при оценке трофического состояния водоема. Так, для олиготрофных
водоемов характерно наличие одного небольшого максимума биомассы весной,
для мезотрофных - раннелетней депрессии (на фоне умеренного развитии водорослей),
а в эвтрофных водоемах на протяжении всего сезона может наблюдаться значительная биомасса
фитопланктона.
На рисунках 76–78 представлена сезонная динамика фитопланктона в рассматриваемых
водохранилищах по средним многолетним значениям биомассы. В наименее продуктивном
Учинском водохранилище имеет место один пик биомассы, связанный с развитием диатомовых
весной; в летне-осенний период рост биомассы водорослей выражен слабо (рисунок 76). Подобное
распределение наблюдается в олиготрофно-мезотрофных озерах. В других водоемах КИМ
(рисунки 77 и 78) помимо весеннего пика диатомовых имеет место значительный летне-осенний
подъем биомассы водорослей, что связано с более высоким, по сравнению с Учинским
водохранилищем, трофическим уровнем водохранилищ.
6
В, мг/л
5
Листвянская ГЭС
4
3
2
1
Мес
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
7
6
Водозабор "Уча"
В, мг/л
5
4
3
2
1
Мес
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
5,0
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Мес
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
Общая биомасса
Рисунок 76 – Сезонная динамика фитопланктона в Учинском водохранилище
(по средним многолетним значениям)
198
3,5
3,0
Икша
В, мг/л
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Мес
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
7
6
Пестово
В, мг/л
5
4
3
2
1
0
Мес
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
5,0
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Мес
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
Общая биомасса
Рисунок 77 – Сезонная динамика фитопланктона в водохранилищах водораздельного бъефа
(по средним многолетним значениям)
199
В, мг/л
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Пялово
Мес
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
12
Водозабор "Клязьма"
В, мг/л
10
8
6
4
2
Мес
0
1
2
3
5,0
0,0
1
2
3
4
4
5
6
5
7
8
6
9
10
11
7
8
9
10
11
12
12
Мес
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
Общая биомасса
Рисунок 78 – Сезонная динамика фитопланктона в водохранилищах водораздельного бъефа
(по средним многолетним значениям)
Из приведенных рисунков видно значительное сходство сезонных изменений
фитопланктона на разных участках КИМ. Снижение биомассы фитопланктона во всех
водохранилищах в июне обусловлен влиянием зоопланктона, как более высокого трофического
уровня. На примере (рисунок 79) Клязьминского водохранилища видно, как вслед за быстрым
увеличением
численности
зоопланктона
в мае,
следует
резкий
спад
биомассы
фитопланктона в июне.
200
12
30000
10
25000
8
20000
6
15000
4
10000
2
5000
0
0
3
4
5
6
7
8
9
10
Численность
зоопланктона, экз/м3
Биомасса фитопланктона,
мг/л
Водозабор Клязьма (1992-2004 гг.)
11
Месяцы
Фитопланктон
Зоопланктон
Рисунок 79 – Сезонные изменения биомассы фитопланктона и численности зоопланктона
в водах Клязьминского водохранилища (водозабор «Клязьма», 1992-2004 гг.)
Тенденции изменений биомассы водорослей в многолетнем аспекте показаны на графиках
изменения биомассы фитопланктона по годам, построенные по средним за вегетационный период
значениям (апрель – октябрь). Обращает на себя внимание «пилообразный» характер графиков;
наличие «волн» – периодов увеличения и снижения биомассы. В некоторых случаях (на станциях
Листвянская ГЭС, водозабор «Уча», Пестово) прослеживается тенденция увеличения биомассы
за период наблюдений.
Из рисунков 80 и 81 также видно, что основная часть биомассы фитопланктона создается
в водохранилищах диатомовыми водорослями. Анализ гидрохимических факторов развития
фитопланктона позволил получить достоверную связь между биомассой диатомовых в мае
и концентрацией фосфатов в апреле. Наибольший коэффициент корреляции отмечен для станции
Листвянская ГЭС (r = 0,61); для этой же станции мы построили график связи между
рассматриваемыми показателями, приведенный на рисунке 82.
201
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
10
2005
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
Полиномиальный (Общая биомасса)
2000
Общая биомасса
0
Годы
Водозабор "Уча"
3,5
3,0
В, мг/л
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
0,0
Годы
5
Листвянская ГЭС
В, мг/л
4
3
2
1
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
0
Годы
Рисунок 80 – Многолетние изменения биомассы фитопланктона в Учинском
водохранилище (средние за вегетационный сезон значения)
202
Диатомовые
Зеленые
Синезеленые
Прочие
10
2005
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
Полиномиальный (Общая биомасса)
2000
Общая биомасса
0
Годы
7
Пестово
6
В, мг/л
5
4
3
2
1
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
0
Годы
7
6
1 паром
В, мг/л
5
4
3
2
1
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
0
Годы
10
13 паром
В, мг/л
8
6
4
2
2005
2000
1995
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
0
Годы
Рисунок 81 – Многолетние изменения биомассы фитопланктона в водохранилищах
водораздельного бьефа КИМ (средние за вегетационный сезон значения)
203
Биомасса, мг/л
16
R2 = 0,372
12
8
4
0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
3-
Р-РО4 , мг/л
Рисунок 82 – Связь между биомассой диатомовых водорослей в мае и концентрацией
фосфора (фосфатов) в апреле (Листвянская ГЭС, 1961-2004 гг.)
3.4.3 Фитопланктон Москворецких водохранилищ
Для характеристики фитопланктона москворецких водохранилищ используются
данные наблюдений за период 1984-2007 гг. На рисунке 83 представлены самые общие
сведения о фитопланктоне, позволяющие оценить степень развития водорослей на разных
участках водохранилищ в разное время. Для такого предварительного сравнения
использован не весь массив данных, а лишь за те годы, по которым имеются информация для
фитопланктона
(2002-2007
гг, 4--7т.е.
мес)за 2002-2007 гг.
большинстваСостав
рассматриваемых
участков
водоёмов,
Диат
С-з
Зел
Проч
12
Биомасса, мг/л
10
8
6
4
2
0
Ис
Оз
Ру
Мо
Водохранилища
Рисунок 83 – Средние за вегетационный сезон значения биомассы фитопланктона
за апрель-октябрь 2002-2007 гг.), мг/л
Из рисунка видно, что по средним за вегетационный сезон значениям наибольшей
биомассой фитопланктона характеризуется Истринское водохранилище, затем идёт
Озернинсое водохранилище, Рузское и Можайское (рисунок 83). В этом же порядке
в планктоне снижается доля синезелёных водорослей и увеличивается процент диатомовых.
204
Большое значение коэффициента глубоководности при низкой проточности
в Можайском
и Рузском
водохранилищах
свидетельствует
об ослабленной
гидродинамической активности их центральных и приплотинных районов. С этим связана
стратификация водной толщи по всех параметрам состава воды, значительно большая
толщина трофолитического слоя по сравнению с трофогенным. Слабая интенсивность
перемешивания воды не даёт возможности обогащения поверхностных слоёв из придонных
горизонтов Рузского и Можайского водохранилищ. Для москворецких водохранилищ
получена линейная связь среднемноголетней биомассы водорослей с коэффициентом
глубоководности с высоким коэффициентом корреляции (рисунок 84).
0,8
R2 = 0,99
К_глуб
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
2
4
6
8
10
12
В, мг/л
Рисунок 84 – Зависимость биомассы фитопланктона от коэффициента глубоководности
для москворецких водохранилищ
В весенний период в условиях мощного конвективного перемешивания Можайское и
Рузское водохранилища примерно сравниваются по продуктивности с Истринским
и Озернинским. Аналогичное распределение наблюдается и в августе, когда наибольшего
развития достигают цианобактерии (рисунки 85 и 87).
В мае картина резко меняется: преобладают диатомовые, кроме того, наибольшая
концентрация
планктона
наблюдается
уже не в Истринском
или
Озернинском
водохранилищах, а в Рузском (рисунок 86).
205
Состав фитопланктона (2002-2007 гг, август
Биомасса, мг/л
Диат
С-з
Зел
Проч
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ис
Оз
Ру
Мо
Водохранилища
Рисунок 85
– Средние за август-месяц значения биомассы фитопланктона
(проведено
осреднение
по всем районам
водохранилищ
за август 2002–2007 гг.), мг/л
Состав
фитопланктона
(2002-2007
гг, май)
Биомасса, мг/л
Диат
С-з
Зел
Проч
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Ис
Оз
Ру
Мо
Водохранилища
Рисунок 86 – Средние за май-месяц значения биомассы фитопланктона
(проведено осреднение по всем районам водохранилищ за май 2002–2007 гг.), мг/л
206
Состав фитопланктона (2002-2007 гг, максимум)
Диат
С-з
Зел
Проч
60
Биомасса, мг/л
50
40
30
20
10
05
.2
00
3
ип
ло
т
13
.
05
.2
00
6
11
.
пр
М
о_
Ру
_П
ри
пл
от
л
О
з_
М
их
ай
о
ст
ве
н
И
с_
Ро
жд
е
16
.0
8.
15
.0
8.
2
00
6
20
07
0
Водохранилища
Рисунок 87 – Максимальные значения биомассы фитопланктона (выбраны
наибольшие значения биомассы фитопланктона водохранилищ, наблюдавшиеся
в 2002–2007 гг.), мг/л
Приведённые выше осреднённые по каждому водохранилищу данные не позволяют
выявить особенности пространственного распределения фитопланктона по акватории
водоёмов. Средние значения биомассы по пространственно распределенным станциям
наблюдений представлены на рисунках 88–90. Эти данные подтверждают отмеченные выше
различия между водохранилищами по биомассе фитопланктона и кроме того позволяют
выявить характер распределения водорослей в каждом из них. Повышенная биологическая
продуктивность верхних участков водохранилищ связана с тем, что в эти районы все время
поступают питательные биогенные вещества с речными водами; кроме того верховья
мелководны, они характеризуются хорошей прогреваемостью и перемешиванием вод.
Верхние участки рассматриваемых водохранилищ эвтрофны – средняя биомасса
фитопланктона здесь составляет 8,05 мг/л в Можайском водохранилище, 6,69 мг/л в Рузском,
10,83 мг/ в Озернинском и 18,1 мг/л в Истринском. Нижние участки Можайского и Рузского
водохранилищ
можно
отнести
к мезотрофному
уровню,
а Озернинского
и Истринского - к эвтрофному.
207
Бимомасса фитопланктона (2002-2007, 4-10 мес)
20
Диат
С-з
Зел
Проч
18
Биомасса, мг/л
16
14
12
10
8
6
4
2
М
М ож
ож _М
_К ы
ш
М рас к
ож но
_П ви
д
М рип
ож ло
_Г т
ЭС
Ру
1
з_
О
ст
а
Ру шо
во
з
_
Ру
з_ Щ е
П рб
ри
Ру пл
з_ от
ГЭ
С2
Оз
_М
Оз их
_В ай
л
Оз олк
_П ов
ри о
Оз пло
_Г т
ЭС
3
И
Ис с_
_Р Бер
ож еж
де к и
Ис ств
_П ено
ри
пл
от
0
Участки водохранилищ
фитопланктона (2002-2007, август)
Рисунок 88 – Средние за Бимомасса
вегетационный
сезон значения биомассы фитопланктона,
наблюдавшиеся в разных районах водохранилищ в 2002–2007 гг., мг/л
30
Диат
С-з
Зел
Проч
Биомасса, мг/л
25
20
15
10
5
М
М ож
ож _М
_К ы
ш
М рас к
ож но
_П ви
д
М рип
ож ло
_Г т
ЭС
Ру
1
з_
О
ст
а
Ру шо
во
з
_
Ру
з_ Щ е
П рб
ри
Ру пл
з_ от
ГЭ
С2
Оз
_М
Оз и
_В хай
л
Оз олк
_П ов
ри о
Оз пло
_Г т
ЭС
3
Ис
Ис _
_Р Бер
ож еж
де к и
Ис ств
_П ено
ри
пл
от
0
Участки водохранилищ
Рисунок 89 – Средние значения биомассы фитопланктона, наблюдавшиеся
в разных районах водохранилищ в августе 2002–2007 гг., мг/л
208
Бимомасса фитопланктона (2002-2007, май)
14
Диат
С-з
Зел
Проч
Биомасса, мг/л
12
10
8
6
4
2
М
М ож
ож _М
_К ы
ш
М рас к
ож но
_П ви
д
М рип
ож ло
_Г т
ЭС
Ру
1
з_
О
ст
а
Ру шо
в
з
Ру _ Щ о
з_
П ерб
р
Ру ипл
з_ от
ГЭ
С2
Оз
_М
Оз их
_В ай
л
Оз олк
_П ов
ри о
Оз пло
_Г т
ЭС
3
И
Ис с_
_Р Бер
ож еж
де к и
Ис ств
_П ено
ри
пл
от
0
Участки водохранилищ
Рисунок 90 – Средние значения биомассы фитопланктона, наблюдавшиеся в разных
районах водохранилищ в мае 2002–2007 гг., мг/л
Из приведённых выше иллюстраций видны существенные различия фитопланктона
в разное время года. Все водохранилища заметно различаются между собой по характеру
изменений фитопланктона в течении года, хотя можно отметить и наличие общих черт,
в частности возрастание количества диатомовых весной, спад их в начале лета (так
называемая, «фаза чистой воды») и – последующее развитие синезеленых (или
динофитовых) водорослей – с максимумом в конце лета – начале осени (рисунки 89 и 90).
Летом преимущество получают крупные, малодоступные для зоопланктона формы –
колониальные
синезеленые
и динофитовые.
Эти водоросли,
к тому же,
более
конкурентноспособны (чем диатомовые) в условиях складывающегося летом дефицита
биогенных веществ. Именно летом количественное развитие фитопланктона может служить
в качестве характерного признака уровня трофии водоема. В высокотрофных водоемах
(с большим количеством биогенных веществ) летний пик фитопланктона выражен
значительно сильнее, чем в малопродуктивных водоемах, в которых летом проявляется
недостаток биогенных веществ.
Подобное явление наблюдается и в рассматриваемых водоемах – по мере возрастания
продуктивности происходит увеличение биомассы фитопланктона в летний (летне-осенний)
период. Сезонные изменения биомассы фитопланктона в приплотинных участках
водохранилищ показаны на рисунках 91–94.
209
Ис_Приплот
Сум
Диат
Зел
Проч
С-з
Биомасса, мг/л
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяц
Рисунок 91 – Сезонные изменения фитопланктона в приплотинной зоне Истринского
водохранилища (среднее за 2002-2007 гг.)
Мож_Приплот
Сум
Диат
Зел
Проч
С-з
Биомасса, мг/л
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяц
Рисунок 92 – Сезонные изменения фитопланктона в приплотинной зоне Можайского
водохранилища (среднее за 2002-2007 гг.)
210
Оз_Приплот
Сум
Диат
Зел
Проч
С-з
Биомасса, мг/л
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяц
Рисунок 93 – Сезонные изменения фитопланктона в приплотинной зоне Озернинского
водохранилища (среднее за 2002–2007 гг.)
Сум
Зел
Руз_Приплот
Диат
Проч
С-з
8
Биомасса, мг/л
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Месяц
Рисунок 94 – Сезонные изменения фитопланктона в приплотинной зоне Рузского
водохранилища (среднее за 2002–2007 гг.)
Многолетние колебания биомассы фитопланктона в москворецких водохранилищах
за последнее двадцатилетие представлены на рисунках 95–98.
211
Ис_Приплот
12
Биомасса, мг/л
10
8
Сум
6
Диат
С-з
4
Зел
2
Проч
0
1985
-2
1990
1995
2000
2005
2010
Годы
Рисунок 95 – Межгодовые изменения фитопланктона в приплотинной зоне
Истринского водохранилища (средние за вегетационный сезон значения)
Мож_припотин
35
30
Биомасса, мг/л
25
20
Сум
Диат
15
С-з
10
Зел
Проч
5
0
-51960
1970
1980
1990
2000
2010
Годы
Рисунок 96 – Межгодовые изменения фитопланктона в приплотинной зоне Можайского
водохранилища (средние за вегетационный сезон значения)
212
Оз_Приплот
25
Биомасса, мг/л
20
Сум
Диат
15
С-з
Зел
10
Проч
5
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
Годы
Рисунок 97 – Межгодовые изменения фитопланктона в приплотинной зоне
Озернинского водохранилища (средние за вегетационный сезон значения)
Руз_Приплот
16
Биомасса, мг/л
14
12
Сум
10
Диат
С-з
8
Зел
6
Проч
4
2
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
Годы
Рисунок 98 – Межгодовые изменения фитопланктона в приплотинном районе Рузского
водохранилища (средние за вегетационный сезон значения)
213
Для того, чтобы попытаться выяснить причины наблюдаемых изменений
фитопланктона, сделана попытка корреляционного анализа факторов, определяющих
развитие фитопланктона в Истринском водохранилище.
В таблице 57 представлены коэффициенты корреляции между биомассой
фитопланктона в приплотинной зоне Истринского водохранилища и факторами среды,
подсчитанные по среднемесячным данным за август 1990–2007 гг.
Таблица 57 – Коэффициенты
корреляции
между
биомассой
фитопланктона
в приплотинной зоне Истринского водохранилища и факторами среды, подсчитанные
по среднемесячным данным за август 1990–2007 гг.
Показатель
Коэфф. корр
Мутн
0,67
рН
0,61
Темп
-0,23
Цветн
-0,18
Окисляемость
-0,29
Жестк
0,54
Fe
-0,35
NO3
0,58
NH4
-0,12
Nсум
0,31
PO4
0,15
O2
0,23
БПК5
0,29
Темп воздуха
0,39
Осадки
0,17
Облачность
0,11
Облачность нижняя
0,23
Атмосферное давление на уровне станции
-0,02
Относительная влажность
-0,68
Средняя скорость ветра, м/с
0,49
Уровень воды, ВБ,м
-0,35
Приток воды, млн м3/мес
0,15
Прямую связь фитопланктона с такими показателями, как мутность и рН можно
объяснить влиянием фитопланктона на процессы, описываемые этими показателями.
В Озернинском
и
Рузском
водохранилищах
высокими
коэффициентами
корреляции (r≈0,8) характеризуется связь биомассы фитопланктона с уровнем воды
водохранилища. В маловодные годы (при низком уровне воды) биомасса фитопланктона
обычно возрастает.
Обратную связь развития фитопланктона с уровнем водохранилища можно объяснить
следующим образом. В жаркое сухое лето с низким уровнем в водохранилище обычно выше
температура придонного слоя воды. Вследствие этого, а также из-за малой глубины
складывается определенная цепь причинно-следственных связей. Более интенсивный
214
удельный поток детрита в гиполимнион приводит к быстрому поглощению кислорода
при разложении органического вещества. Возникновение резкого дефицита кислорода
в придонных слоях стимулирует регенерацию биогенных веществ из донных отложений.
В результате увеличивается внутренняя биогенная нагрузка. В этих условиях, на фоне
малого притока биогенных веществ с водосбора, даже короткое штормовое перемешивание
слоев приводит к быстрому обогащению прогретого эпилимниона биогенными веществами
и наблюдается интенсивное развитие фитопланктона, иногда в виде резких вспышек
цветения. В многоводные годы с высоким уровнем водохранилища эти процессы протекают
гораздо менее интенсивно и развитие фитопланктона происходит более плавно, его биомасса
не достигает высоких величин.
Рассматриваемые процессы протекают по-разному в водоемах, различающихся
по своим гидролого-морфометрическим характеристикам. Поэтому связь фитопланктона
с уровнем воды проявляется не всегда. Так, для Можайского водохранилища нами
определена лишь слабая и малодостоверная связь средней за сезон биомассы с уровнем
воды (r = -0,42). Анализ связей объема водохранилища с биомассой отдельных групп
водорослей показал, что более высокие коэффициенты корреляции характерны
для синезеленых водорослей. Видимо, этим можно объяснить снижение тесноты связи
в Можайском водохранилище, где конкурентами синезеленых выступают динофитовые
водоросли. Но если ограничиться весенним периодом, то зависимость биомассы в это время
преимущественно диатомового фитопланктона от уровня в этом водохранилище заметно
возрастает.
3.4.4 Анализ влияния гидрометеорологических особенностей года на условия
развития фитопланктона в водохранилищах
Многообразие факторов развития продукционных процессов в водохранилищах и
их зависимость от гидрометеорологических условий отдельных лет существенно усложняет
поиск закономерностей межгодовой динамики биомассы фитопланктона. В нашем
исследовании мы попытались проследить влияние особенностей погодных условий
на развитие фитопланктона и его распределение по водохранилищу на примере сравнения
результатов наблюдений за развитием водорослей в Можайском водохранилище в различные
по гидрометеорологическим условиям в период 2009–2012 гг. и аномально жаркого
1972 года.
Период наблюдений с 2009 по 2012 год характеризовался различным характером
погоды. По количеству жарких дней выделяются 2010 и 2011 годы (таблица 58).
Лето 2011 года было гораздо прохладнее 2010 и 1972 годов.
Таблица 58 – Гидрометеорологическая характеристика 2009–2012 гг.
Год
Количество дней Приток воды в половодье, Приток воды в паводки,
с T>25 °C
%
%
2009
13
21
72
2010
64
60
20
2011
39
55
23
2012
20
45
47
215
Количество осадков за лето в 2010 и 2011 гг. составило соответственно 58 и 68%
нормы. В оба года приток воды в паводки был небольшим и не превышал 20–23% за год.
По температурным условиям лето 2012 года заметно прохладнее 2011 года. Большую
часть лета преобладала циклональная погода. Приток воды в паводки в 3,4 раза больше,
чем в половодье и троекратно превосходил приток воды с дождями по сравнению
с 2011 годом (таблица 58). Лето 2009 г. в Москве стало одним из самых дождливых: сумма
осадков
за три
месяца
составила
219 миллиметров
при среднем
показателе
в 212 миллиметров.
Характер погоды в летний период оказывает существенное влияние на развитие
водорослей.
При аномально жаркой погоде в 2010 г. конкурентное преимущество перед другими
отделами водорослей получают синезеленые водоросли. Максимальное развитие
синезеленых
водорослей
наблюдали
в верхнем
районе
на станциях
Горки
и Поздняково - до 6,4 мг/л в поверхностном метровом слое (рисунок 99). В среднем и
нижнем районах их биомасса снизилась до 4 и 1,4 мг/л соответственно [67; 68].
Особенностью 2010 г. являлось интенсивное развитие синезеленых водорослей не только
в поверхносном слое, оно распространилось на нижние горизонты, включая 4–6 метра,
однако максимум плотности всегда располагался в поверхностном метровом слое. Так
в верхнем районе Можайского водохранилища максимальная биомасса синезеленых
водорослей в 2010 году у поверхности достигала 4,8 мг/л.
В относительно
глубоководных
водоемах
при длительной
и устойчивой
температурной стратификации и высоких летних температурах вместе с синезелеными
давала вспышку развития динофитовая Ceratium hirundinella [69]. В Можайском
водохранилище массовое развития Ceratium hirundinella происходило в более глубоководных
среднем и нижнем районах вместе с синезелеными водорослями (рисунок 99). Используя
способность к активному движению, Ceratium hirundinella может избегать высокой
интенсивности света в поверхностных горизонтах, которая неблагоприятна для ее развития
и занимать слои, где пониженная освещенность компенсируется повышенным содержанием
биогенов [71].
Рисунок 99 – Изменение биомассы (В, мг/л) синезеленых водорослей в Можайском
водохранилище в поверхностном метровом слоем 26 июля 2010 г.
216
В центральном районе Можайского водохранилища на ст. Красновидово в 2010 году
отмечали максимальную биомассу Ceratium hirundinella – до 8,7 мг/л в поверхностном
метровом слое (рисунок 100).
Рисунок 100 – Изменение биомассы (В, мг/л) Ceratium hirundinella в среднем и нижнем
районах Можайского водохранилища 26 июля 2010 г.
По направлению к плотине биомасса пирофитовых водорослей уменьшилась
до 6,9 мг/л. Для сравнения в приплотинном участке на горизонте 4,0 м их биомасса
составила 3,9 мг/л, а на 5 м горизонте она снизилась до 2,6 мг/л. Преимущественное развитие
синезеленых водорослей при аномально жаркой погоде в 2010 г. отмечали на Рыбинском,
Горьковском и Чебоксарском водохранилищах, где практически на всех участках
водохранилищ суммарная биомасса фитопланктона была сформирована Aphanizomenon
flos-aquae и Microcystis aeruginosa, в отдельных случаях – за счет Anabaena scheremetievi и
Anabaena flos-aquae [71].
Учащенные наблюдения за состоянием фитопланктона проводили в районе
п. Красновидово на центральном участке Можайского водохранилища, поэтому полученные
результаты представляют наибольший интерес для оценки развития таксономических групп
водорослей в зависимости от характера погоды (рисунок 101).
217
Рисунок 101 – Доля отделов фитопланктона от общей биомассы (B,%) в годы с разным
температурным режимом на Красновидовском плесе Можайского водохранилища
Сочетание интенсивной солнечной радиации в 2010 г. со слабым ветром и отсутствие
дождей в течение 58 дней стимулировали развитие синезеленых водорослей в верхнем
и среднем районах и Ceratium hirundinella – в среднем и нижнем районах. Сочетание
повышенных летних температур с грозовыми дождями и кратковременным перемешивание
толщи воды стимулировало развитие синезеленых водорослей и в относительно холодном
2011 г. (рисунок 101).
Повышенные среднелетние значения численности фитопланктона (24103,8 кл./мл)
зафиксированы в относительно теплом 2011 году в среднем районе водохранилища
и связаны с развитием синезеленых водорослей.
Максимальное среднелетнее значение биомассы (6,8 мг/л) за период наблюдений
отмечено в 2011 году в верхнем районе Можайского водохранилища (ст. Горки) и было
обусловлено интенсивным развитием летней диатомовой водоросли Aulacoseira granulata
(Ehrenb.) Simonsen. Aphanizomenon flos-aquae, как и в 2010 году, сохранила лидирующее
положение, однако максимальная биомасса ее сократилась здесь с 6,3 до 2,4 мг/л.
По сравнению с 2010 г. в 2011 г. в верхнем районе Можайского водохранилища выросла
биомасса Anabaena flos-aquae (Lyngb.) Breb. c 0,1 до 1,2 мг/л. Повышенная биомасса
синезеленых водорослей у плотины связана со сгонно-нагонными процессами, которые
вызывал ветер ССЗ направления.
Отличительной особенностью вегетации водорослей летом 2011 года является
развитие в речной водной массе, верхнем и среднем районах Можайского водохранилища
Aulacoseira granulata и синезеленых водорослей (рисунок 102). Относительно высокая доля
диатомовых водорослей сохранялась в среднем районе (ст. Красновидово) в конце
июл-начале августа – до 47,8% (от общей биомассы), в середине августа она сократилась
здесь до 30,3%. Этот вид диатомовой водоросли, как и другие диатомовые адаптированы
к повышенной перемешиваемости воды [72] и незначительной интенсивности света [73].
Ветровое перемешивание при циклональной погоде и повышенная проточность помогают
поддержанию их пассивных «тяжелых» панцирей в фотосинтетически активном слое.
218
Рисунок 102 – Изменение биомассы отделов фитопланктона (В, %) от верховья
до плотины Можайского водохранилища 15 августа 2011 г.
Таким образом, повышенная гидродинамическая активность и относительно высокие
летние температуры воды способствовали массовому развитию Aulacoseira granulata в
Можайском водохранилище в 2011 г. Развитие синезеленых до уровня «цветения»
происходило после штормовой погоды и вертикального перемешивания толщи воды
при установлении антициклональной погоды.
За период с 2009 по 2012 год самый низкий уровень развития фитопланктона
наблюдали в 2009 г. – среднелетняя биомасса в верхнем и среднем районах соответственно
составила 1,7 и 3,2 мг/л (рисунки 103–105). Особенности лета 2009 г. (прохладного,
дождливого с частыми ветровым перемешиванием толщи воды) проявились в том, что
в верхнем районе получили преимущественное развитие диатомовые и зеленые водоросли,
которые в среднем за летний период суммарно составили 75,8% от общей биомассы
фитопланктона, и самое слабое развитие синезеленых водорослей – 4,2% за все 4 года
наблюдений, в 2010 г. их доля (В,%) здесь была максимальной – 58,9%; В среднем и нижнем
районах в общей биомассе возрастает доля синезеленых водорослей, однако она
не превышает 24,8 % (рисунок 106). По данным 22 июля и 17 августа 2009 г. синезеленые
водоросли наибольший % в общей биомассе составляли в среднем и нижнем районах,
их развитие было слабым и биомасса не превышала 0,4 мг/л. В верхнем районе отмечена
максимальная биомасса диатомовых – 1,2 мг/л и зеленых – 1,4 мг/л водорослей.
219
Рисунок 103 – Средняя за лето численность (N, кл/мл) и биомасса (B, мг/л)
фитопланктона в верхнем районе Можайского водохранилища
Рисунок 104 – Средняя за лето численность (N, кл/мл) и биомасса (B, мг/л)
фитопланктона в среднем районе Можайского водохранилища
Рисунок 105 – Средняя за лето численность (N, кл/мл) и биомасса (B, мг/л)
фитопланктона в нижнем районе Можайского водохранилища
220
Рисунок 106 – Изменение биомассы отделов фитопланктона (В, %) от верховья
до плотины Можайского водохранилища 22 июля 2009 г.
Смена циклональной погоды на антициклональную, которая сопровождалась
интенсивным ветровым перемешиванием толщи воды и дождями в июле-августе 2011 года
способствовала развитию синезеленых, зеленых и диатомовых водорослей и неблагоприятно
отразилась на развитии Ceratium hirundinella. На это, видимо, оказали влияние
неблагоприятные факторы среды, к которым относятся механическое повреждение Ceratium
hirundinella в результате ветро-волнового воздействия, недостаток света в нижних
горизонтах, куда опускались эти водоросли при штормах, снижение прозрачности
в результате взмучивания донных отложений.
Сочетание ветреной и теплой погоды в летний период стимулирует развитие летних
видов диатомовых водорослей и в холодном 2009 году. Их доля в общей биомассе
фитопланктона в 2009 и 2011 гг. соответственно составила 44,1 и 47,8%.
Поступление значительного объема паводковых вод летом 2009 г. при циклональной
погоде, относительно низких летних температурах и частых штормах наиболее благоприятно
для зеленых водорослей (44,1% В). В таких условиях они получили конкурентные
преимущества перед синезелеными водорослями.
Таким образом, в стратифицированном водохранилище в летний период структура
фитопланктонных сообществ определяется не только трофическими условиями, но
и условиями стратификации, связанными с характером погоды.
Значительное влияние на развитие фитопланктона Можайского водохранилища
оказывает устойчивая температурная стратификация в летний период, при которой
возникала и до осени сохранялась анаэробная зона. В поверхностном слое воды фосфор
органических соединений постоянно преобладал над минеральным; в периоды вегетации
минеральный фосфор в трофогенном слое потреблялся почти полностью. В придонных
слоях, напротив, доминировал минеральный фосфор. Анаэробно-восстановительные условия
формируют специфическую структуру анаэробного гиполимниона. Это обеспечивает
наилучшие условия для выноса фосфора из донных отложений (70% общего выхода
минерального фосфора за всю вегетацию) [74]. Ветровое перемешивание толщи воды в этот
221
период оказывает огромное влияние на развитие водорослей. После штормовой погоды и при
установлении антициклональной погоды неоднократно наблюдалось «цветение»
синезеленых
водорослей.
По данным
5 августа 2011 г.
на русловой
станции
у п. Красновидово биомасса синезеленых и зеленых водорослей соответсвенно составила 1 и
0,9 мг/л, а после вертикального перемешивания толщи воды и смены погоды: совпадение
повышенного фона солнечной радиации и ослабленного ветрового режима, наблюдались
вспышки развития синезеленых и зеленых водорослей, их биомасса возросла до 1,5 мг/л.
Биомасса Ceratium hirundinella в этот период увеличилась с 0,1 до 1,8 мг/л за счет
подъема водорослей в поверхностные слои воды. Чтобы компенсировать недостаток
биогенных элементов в поверхностном слое воды при температурной стратификации,
водоросли совершают вертикальные миграции. По данным [75] амплитуда суточных
колебаний вертикального распределения водорослей возрастает во время устойчивой
стагнации, что связано со способностью подвижных форм выбирать оптимальную
в отношении питательных веществ и света глубину.
Аномально жаркой погодой отличалось лето 1972 г., когда поверхностный слой воды
в Можайском водохранилище прогрелся до 29 °C, и высокая температура держалась
длительный период при отсутствии ветрового перемешивания. Приток воды
в водохранилище был намного ниже нормы. Создались благоприятные условия
для вегетации синезеленых водорослей даже в верховьях водохранилища, в речной водной
массе, где их биомасса увеличилась до 3,5 мг/л [72]. Пирофитовые водоросли с доминантом
Ceratium hirundinella интенсивно развивались в глубоководных среднем и нижнем районах.
Число зеленых водорослей также было повышенным.
Сравнительный анализ развития фитопланктона в летний период аномально жарких
1972 и 2010 годов показывает, что если в верхней части водохранилища в 1972 году
биомассы значительно превышали аналогичные в 2010 году, то в приплотинном участке
в 2010 году фитопланктон был обильнее (таблица 59).
Таблица 59 – Средневзвешенная биомасса (В, мг/л) фитопланктона за июль 1972
и 2010 гг.
Горошковский
Год
Мышкино Горки Поздняково Красновидово
Плотина
остров
1972 г.
5,6
12,9
13,6
5,8
1,2
2010 г.
2,6
4,6
5,2
6,7
7,6
5,8
В 1972 году в предповерхностных слоях на ст. Горки биомасса фитопланктона
достигала 26,1 мг/л, а в 2010 году на этой станции она не превышала 8,2 мг/л. В среднем
районе водохранилища (у д. Горетово) отмечена максимальная биомасса – до 40 мг/л.
В 2010 г. биомасса фитопланктона в среднем районе не превышала 13,8 мг/л, повышенные
значения были обусловлены массовым развитием динофитовой Ceratium hirundinella.
Максимальная биомасса синезеленых в оба года наблюдалась в верхнем районе
Можайского водохранилища, на ст. Горки – Поздняково, причем в 2010 г. она
не превышала 6,4 мг/л.
В 2009 – 2012 годы интенсивное «цветение» (с биомассой более 5 мг/л) синезеленых
водорослей в Можайском водохранилище наблюдалось в течение непродолжительных
222
периодов, а уровень развития синезеленых водорослей был существенно ниже,
чем в 1972 году (таблицы 60 и 61).
Таблица 60 – Средняя численность (N, кл/мл) и биомасса (В, мг/л) отделов водорослей
за летний период в разные годы на рейдовой вертикали у п. Красновидово
Отдел
Год
Синезеленые
Динофитовые
Зеленые
Диатомовые
N, кл/мл В, мг/л N, кл/мл В, мг/л N, кл/мл В, мг/л N, кл/мл В, мг/л
2009 7141,7
0,3
50,4
0,3
3324,7
0,9
1371,0
0,9
2010 11553,7
1,3
200,1
3,6
686,9
0,3
893,8
0,5
2011
10204
0,9
183,1
2,7
3220,9
1,0
5352,8
1,3
2012 6691,1
0,4
144,5
1,7
3565,0
1,3
133,6
0,6
Таблица 61 – Средняя численность (N, кл/мл) и биомасса (В, мг/л) отделов водорослей
за летний период в разные годы в верхнем и среднем районах Можайского
водохранилища
Верхний район
Средний район
Год
3
3
N, тыс.кл./м
B, г/м
N, тыс.кл./м3
B, г/м3
2009
5359,2
1,7
15369,9
3,2
2010
55548,4
3,8
16663,7
4,4
2011
23650,5
6,8
24103,8
4,4
2012
12731,2
4,1
14108,1
3,3
Выводы раздела
- Анализ многолетних данных лаборатории АГУ по фитопланктону за 1961-2004 гг.
показал, что водохранилища водораздельного бьефа КИМ являются мезотрофными
водоемами. Биомасса фитопланктона возрастает в ряду: Икшинское, Учинское, Пестовское,
Пяловское, Клязьминское водохранилища.
- Уровень развития фитопланктона в водохранилищах водораздельного бьефа КИМ
существенно меньше, чем в Москворецких водохранилищах и близок к таковому Вазузского
и Яузского, из-за различного уровня концентраций биогенных веществ в этих водоемах.
- Основную часть биомассы фитопланктона в рассматриваемых водохранилищах
создают диатомовые водоросли. Синезеленые не являются доминирующими, что
подтверждает невысокий трофический статус рассматриваемых водоемов. Сезонные
изменения фитопланктона, характеризуются в большинстве водоемов наличием одного
весеннего максимума и лишь слабым развитием водорослей в летне-осенний период.
- Москворецкие водохранилища по биомассе фитопланктона характеризуются
мезотрофно-эвтрофным уровнем продуктивности. По возрастанию продуктивности они
могут быть ранжированы в ряду Можайское – Рузское – Озернинское – Истринское.
Определенное значение для уровня продуктивности имеет относительная глубоководность
водохранилища.
- В сезонных изменениях биомассы фитопланктона наблюдаются два пика – весенний,
связанный с развитием диатомовых водорослей и летне-осенний пик развития
цианобактерий. В Можайском водохранилище преобладание летом цианобактерий в
отдельные годы сменяется доминированием пирофитовых водорослей.
223
- Для москворецких водохранилищ обнаружена обратная связь биомассы водорослей
с уровнем водохранилища, наиболее ярко проявляющаяся в Озернинском и Рузском
водохранилищах.
- Характер погоды в летний период оказывает существенное влияние на видовую
структуру фитопланктона и количественное развитие. При пониженных летних
температурах и преобладании циклональной погоды биомасса водорослей минимальна
и резко возрастает при длительной антициклональной погоде.
- Для массового развития синезеленых водорослей до уровня «цветения» важно
сочетание факторов: повышенной солнечной радиации и устойчивости водной толщи после
штормового перемешивания.
- Устойчивая антициклональная погода с повышенными летними температурами
стимулирует массовое развитие динофитовой Ceratium hirundinella в Можайском
водохранилище при длительной температурной стратификации.
- Зеленые водоросли более устойчивы к ветро-волновому воздействию и пониженным
летним температурам по сравнению с синезелеными, развитие которых прекращается
при штормовой погоде.
- Для диатомовых водорослей благоприятна погода с ветровым перемешиванием
толщи воды, препятствующая осаждению их «тяжелых» клеток.
- Устойчивая температурная стратификация в летний период оказывает существенное
воздействие на доступность биогенных элементов в слое эпилимниона: резко ограничивается
подток биогенов в эвфотическую зону и скорость фотосинтеза зависит от скорости
регенерации биогенов в слое металимниона, а также от ветрового перемешивания толщи
воды.
224
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полнота решения поставленной задачи. Управлять любой сложной системой,
особенно природной, невозможно без достаточно четкого представления о состоянии этой
системы, закономерностей ее функционирования и тенденций развития. Решению этой
задачи для водохранилищ источников водоснабжения г. Москвы посвящен настоящий этап
исследовательской темы. Проведенное обобщение данных мониторинга и полевого
обследования
водохранилищ
позволило
сделать
определенные
выводы
о гидроэкологическом состоянии водохранилищ – источников водоснабжения г. Москвы.
Значительная часть выводов о водохранилищах москворецкой системы водоснабжения
сделана на основе анализа наиболее изученных Можайского и Учинского водохранилищ.
Перенесение этих выводов другие водохранилища базируется на хорошо известном
принципе аналогии. Согласно этому принципу такое перенесение вполне допустимо для
однотипных по режиму природных объектов. Во всех случаях, когда этот принцип
соблюдался, полученные выводы были распространены на все водохранилища.
Главными из выводов, сделанных в результате научного обобщения исследований
гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режима водохранилищ,
следует рассматривать следующие:
Гидрологический режим водохранилищ. По результатам анализа водного баланса
водохранилищ в последние десятилетия установлено, что изменчивость годовых величин
сброса воды из водохранилищ больше, чем годового ее притока, что не свойственно
водохранилищам многолетнего регулирования стока, сглаживающим, в принципе, колебания
речного стока. Вследствие отсутствия долгосрочных гидрометеорологических прогнозов
притока воды в течение всего года диспетчерской службе МВК 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 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 (вполне
обоснованно можно предположить, что и в других водохранилищах) 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.
- 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. Это, в свою очередь, увеличивает непредсказуемость
дальнейшего их развития.
- Морфометрические особенности водохранилищ способствуют формированию
большей неоднородности состава воды в Истринском и Озернинском водохранилищах по
сравнению с Можайским и Рузским.
225
- Принципиально важное для развития эвтрофирования и цветения фитопланктона в
водохранилищах сочетание интенсивности внешней и внутренней биогенной нагрузки
определяется процессами формирования гидрологической структуры и особенностями
внутренней динамики вод в водохранилищах в годы различной водности.
- За последние годы произошли наиболее существенные изменения гидрологического
режима водораздельного бьефа, связанные в большей степени не с гидрологическими
факторами, а с изменением интенсивности эксплуатации его водных ресурсов. За это время
потребления воды на водоснабжение снизилось на 24%, обводнение рек – на 30%,
судоходство – на 6% (а по сравнению с 90-ми годами – на 30%), перекачка волжской воды –
на 18%, внешний водообмен – на 17%, а потери на испарение и фильтрацию возросли более
чем в 1,5 раза. Столь неоправданно высокий рост холостых потерь в последние годы
по результатам расчета водного баланса требует более тщательного исследования
с привлечением большей информации, как по методике расчета его составляющих, так и
по точности их учета в пунктах подачи и забора воды.
Термический режим водохранилищ.
- В 90-х годах произошли заметные изменения в режиме температуры воды
водохранилищ,
выразившиеся
в увеличении
периода
времени
с повышенными
температурами воды и, тем самым, продлении длительности вегетации фитопланктона
в более благоприятных для него термических условиях.
- При подобии термического режима водохранилищ в общих чертах, в деталях этот
режим индивидуален для каждого из них. Причем эта индивидуальность термического
режима водохранилищ наиболее сильно проявляется в периоды времени, благоприятные для
развития фитопланктона, и, наряду с климатическими факторами, во многом определяется
режимом эксплуатации водохранилища как в предшествующий период годового цикла, так и
в момент каждой конкретной синоптической ситуации (по крайней мере в наиболее важной
для водозабора приплотинной части водоема).
Гидрохимический режим водохранилищ.
- Различия химической нагрузки москворецких водохранилищ определяется
ландшафтными особенностями их водосборов и режимом водного стока рек. Вследствие
высокой изменчивости концентраций биогенных веществ и сложного вида их зависимости
от расходов воды в периоды половодья и паводков корректная оценка биогенной нагрузки
возможна только в случае частых (ежесуточных) наблюдениях за химическом составом вод
притока в эти периоды или путем специального расчета по установленным зависимостям
сложного вида.
- Различия в характере круговорота фосфора в москворецких водохранилищах
обусловлены, главным образом, особенностями режима регулирования стока и по этому
признаку их можно подразделить на две группы:
- Можайское и Рузское;
- Истринское и Озернинское.
Более высокий трофический уровень второй группы водоемов (Озернинское
и Истринское) и, соответственно, их более высокая продуктивность, а также более поздняя
сработка (во второй половине лета) способствуют накоплению в них органического вещества
автохтонного (внутриводоемного) происхождения.
226
- Типичной чертой гидрохимического режима москворецких водохранилищ
в последнее десятилетие стало образование и развитие обширных анаэробных зон
в глубинных слоях водохранилищ в течение вегетационного и в зимний периоды. Особенно
значительны эти зоны аноксии в Озернинском и Истринском водохранилищах. Анаэробные
условия в гиполимнионе оказывают глубокое влияние на круговорот химических веществ,
в первую очередь биогенных элементов, в экосистеме водохранилищ.
- Роль водохранилищ в трансформации химического стока с водосбора в настоящее
время продолжает оставаться очень высокой. За последние десятилетия не возникло
оснований для пересмотра количественных оценок снижения химического стока,
полученных ранее: снижение в нижнем бьефе содержания взвешенных веществ на 90%,
органического вещества на 20-40%, фосфора на 60%, азота на 30%.
- В водохранилищах Волжской системы происходит резкое улучшение качества воды
по большинству показателей качества воды, что обусловлено интенсивными
внутриводоемными
процессами
самоочищения
в экосистемах
водохранилищ.
Внутригодовые колебания качества воды в волжских водохранилищах подчиняются
закономерностям, связанным как с генезисом заполняющих водохранилища вод, так и
с сезонностью продукционно-деструкционных внутриводоемных процессов. Большинство
показателей качества воды, связанных с антропогенным загрязнением вод обнаруживает
многолетние тенденции увеличения значений, несмотря на отсутствие явно выраженной
тенденции речного стока в бассейне Иваньковского водохранилища.
Донные отложения водохранилищ
- Процесс осадконакопления несколько более интенсивно происходит в Рузском,
а наименее заиленным представляется Озернинское водохранилище. Содержание
органического вещества в донных отложениях наибольшее в Истринском и Озернинском
водохранилищах. Высокую роль в формировании внутренней биогенной нагрузки донные
отложения играют в Озернинском водохранилище, наименьшую в Рузском.
- Постепенное снижение активности основного источника формирующего
терригенного материала взвесей водохранилищ – абразии берегов – приведет к тому, что все
большую долю станет составлять поступление аллохтонных взвесей автохтонных
органических веществ вследствии биологической продуктивности водной массы.
В результате в донных отложениях водохранилищ с течением времени будет увеличиваться
доля тонкодисперсных минеральных частиц и органического вещества.
Фитопланктон водохранилищ
- Видовой состав фитопланктона москворецких водохранилищ в многолетнем аспекте
изменяется незначительно, за исключением Можайского водохранилища, в котором
в 70-е годы произошла смена доминирующих видов летнего планктона.
- Сезонные изменения развития фитопланктона в москворецких водохранилищах
характеризуются двумя пиками биомассы водорослей и наличием в июне месяце «фазы
чистой воды», обусловленной мощным прессом фитоядного зоопланктона.
- Начиная с середины 80-х годов, определенно выраженной тенденции многолетних
изменений биомассы фитопланктона в москворецких водохранилищах не прослеживается.
- Пространственные неоднородности в распределении фитопланктона обусловлены
гидролого-морфологической асимметрией водохранилищ и внутриводоемной динамикой вод
в различных синоптических условиях.
227
Особенности развития цветения водохранилищ
- Из анализа условий развития цветения следует, что наиболее опасные и резкие
вспышки цветения происходят в маловодные годы с низким уровнем водохранилища
при смене погоды с циклональной на антициклональную. В эти годы с преимущественно
безоблачным, жарким летом и морозной зимой более вероятны пики биомассы
фитопланктона и увеличение размера бескислородных зон в глубинном слое воды.
Для Озернинского и Истринского водохранилищ установлены статистически значимые связи
уровня с биомассой водорослей в вегетационный период. Поддержание более высокого
уровня этих водохранилищ в жаркие сухие годы может понизить вероятность аномально
интенсивного развития цветения в них.
- В многоводные годы с теплой зимой и при преобладании в вегетационный сезон
пасмурной, холодной и ветреной циклонической погоды усиливается проточность
водохранилищ, в них наблюдается повышенная цветность и окисляемость воды, ослабляется
ее самоочищение вследствие частого ветрового перемешивания и, как правило, пониженная
активность планктонного сообщества водных организмов.
Рекомендации по конкретному использованию результатов НИР. Результаты
проведенных исследований могут быть использованы:
- при разработке и верификации блока расчета тепломассообмена гидрологической
модели водохранилищ будут учтены особенности гидрологического режима водохранилищ в
годы различной водности, выявленные в ходе выполнения работы по третьему этапу;
- для формализации процессов первичного продуцирования в экологическом блоке
имитационной математического модели необходимо выполенное в работе обобщение
закономерностей развития фитопланктона в водохранилищах;
- в качественном прогнозе многолетних изменений состояния экосистем
водохранилищ на основе выявленных многолетних тенденций гидрометеорологичских
условий в источниках водоснабжения г. Москвы;
- при планировании и совершенствовании систем мониторинга качества в источниках
водоснабжения г. Москвы;
Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения НИР. Оценку
технико-экономической эффективности внедрения НИР планируется провести при
реализации рекомендаций по управлению эвтрофированием водохранилищ на основе
диагностического прогноза влияния экстремальных гидрометеорологических условий на
функционирование экосистем водохранилищ.
Результаты оценки научно-технического уровня НИР. Сравнение с лучшими
достижениями в этой области. Высокий уровень проведенных исследований подтверждается
полнотой выполненных обобщений и обоснованностью полученных выводов. Основанный
на многолетних данных мониторинга анализ режимов москворецких и волжских
водохранилищ наряду с использованием результатов специальных полевых экспериментов,
практически не имеют аналогов в известных авторам результатах исследований сложных
водохозяйственных систем источников водоснабжения крупных городов.
228
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Алисов Б.П. Климатические области и районы СССР. М.: ОГИЗ, 1947. 208 с.
2 География, общество, окружающая среда. Том VI: Динамика и взаимодействие
атмосферы и гидросферы / под ред. проф. Н.И. Алексеевского и проф. С.А. Добролюбова.
М.: Издательский дом «Городец», 2004. 592 с.
3 Хромов С.П., Мамонтова Л.И.
Метеорологический
словарь
// Л: Гидрометеорологическое издательство, 1955. 456 с.
4 ГОСТ 22.0.03–95. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Природные
чрезвычайные ситуации. Термины и определения.
5 ГОСТ 17713–89. Сельскохозяйственная метеорология. Термины и определения.
6 ФГБУ “Центральное УГМС”. Опасные явления (ОЯ), перечень ОЯ и их критерии:
http://ecomos.ru/kadr22/terminOjA.asp
7 Справочник
эколого–климатических
характеристик
г. Москвы
/
под
ред. А.А. Исаева. Т.2. М.: Изд–во геогр. ф–та МГУ, 2005. 412 с.
8 Технический регламент Всемирной метеорологической организации № 49, т.1.
Общие
метеорологические
стандарты
и
рекомендуемая
практика.
ftp://ftp.wmo.int/Documents/MediaPublic/Publications/Technical_Regulation_WMO_No_49/49_V
olume_I/49–Vol–I_ru.pdf
9 Гидрометцентр России. Основные природно–климатические особенности августа
2010 года в северном полушарии. http://www.meteoinfo.ru/climate/climat–tabl3/climate–
analysis–2010–all/3305––2010–
10 Водохранилища и их воздействия на окружающую среду. М.: Наука, 1986. 368 с.
11 Эдельштейн К.К. Водные массы долинных водохранилищ. М.: Изд–во МГУ, 1991.
176 с.
12 Справочник водохранилищ СССР. Часть 1. (Водохранилища объемом 10 млн м3 и
более). М.: Союзводпроект, 1988. 322 с.
13 Пояснительная записка к проекту эксплуатации водного хозяйства канала.
Водораздельный бьеф. Москва: Волгострой. 58 с.
14 Основные положения правил использования водных ресурсов водохранилищ
водораздельного бьефа канала им. Москвы. М.: Госводхоз РСФСР, 1963. 23 с.
15 Водохранилища Москворецкой водной системы. М.: Изд–во МГУ, 1985. 266 с.
16 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.
17 Кирпичникова Н.В. Формирование биогенного стока Волжского и Москворецкого
источников водоснабжения // Сб. тр. V межд. Науч.–пр. конф. «Экология речных бассейнов»,
г. Владимир, 2009. С.386–389.
18 От истока до Москвы. М.: Издательство Прима–Пресс, 1999. 312 с.
19 Сайт www.mosvodokanal.ru
20 Клименко Л. В. Об изменении климата в центре Русской равнины // Вестн. МГУ.
Сер. 5, География. 1995. № 6. С.75–78.
21 Моделирование
режима
фосфора
в долинном
водохранилище.
М.: Изд-во МГУ, 1995. 80 с.
229
22 Заславская М.Б. Формирование качества речных вод под влиянием природных и
антропогенных
факторов. // Геоэкологические
исследования
и
охрана
недр:
научно-технический информационный сборник АОЗТ «Геоинформмарк». Вып. 1. М., 1997.
С.13–19.
23 Даценко Ю.С., Гончаров А.В. Зависимость степени развития фитопланктона от
уровня воды в москворецких водохранилищах // «Актуальные проблемы водохранилищ»
Тез. Конференции. Борок. 2002. С.64–65.
24 Сахарова М.И. Оценка вклада зарастания осушаемого мелководья Можайского
водохранилища в баланс органического вещества и биогенов // Научно–технический отчет
Лаборатории по изучению водохранилищ за 1996 г. – МГУ, Красновидово, 1996. С.132–137.
25 Брагинский Л.П, Сиренко Л.А. Вегетационный цикл Microcystis aeruginosa Kütz.
emend. Elenk. // Альгология. 1997. Т.7. №2. С.153–165.
26 Халиуллина Л.Ю., Яковлев В.А., Халиуллин И.И. Сезонная
и
межгодовая
динамика
фитопланктона
в
связи
с
уровенным
режимом
Куйбышевского
водохранилища // Водные ресурсы. 2009. Т.36, №4. С.481–487
27 Эдельштейн К.К., Иваненко С.А., Патрик П.А. Пространственная
структура
ветровых течений в долинном водохранилище. Метеорология и гидрология, 2001. №7.
С.89-100.
28 Крейман К.Д., Голосов С.Д., Сковородова Е.П. Влияние
турбулентного
перемешивания на фитопланктон // Водные ресурсы. 1992. №3. С.92–97
29 Эдельштейн К.К. Гидроэкологическая структура долинных водохранилищ.
Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2000. №5. С.23–28.
30 Самолюбов Б.И. Плотностные течения и диффузия примесей. ЛКИ, 2007. 352 с.
31 Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Оценка интенсивности продольной плотностной
циркуляции воды весной в долинном водохранилище // Вестн. Моск. ун–та. Сер.5.
География. 1996. №5. С.19–27.
32 Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Расчеты плотностных течений в Можайском
водохранилище // Метеорология и гидрология. 2001. №3. С.94–104.
33 Канал имени Москвы: 50 лет эксплуатации / Под ред. Л.С. Быкова и
А.С. Матросова. М.: Стройиздат, 1987. 240 с.
34 Лепихин А.П., Тиунов А.А. Разработка гидродинамической модели и модели
загрязнений Клязьминского водохранилища. Отчет по договору № 03/12 от
14 февраля 2012 г. Пермь, 2012. 29 с.
35 Гречушникова М.Г. Изменчивость
термического
состояния
Можайского
водохранилища в вегетационный период. Диссертация на соискание уч. ст. канд. географ.
наук. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. 199 с.
36 Гречушникова М.Г. Синоптическая изменчивость температуры воды в долинном
водохранилище. // Труды V конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и
прибрежной зоны морей», М.: ИВП РАН, 1999. С.111-113.
37 Соколова Н.Ю., Белова С.Л., Извекова Э.И. и др. Сообщества водных организмов и
их участие в процессах формирования качества воды подмосковных водохранилищ. /
В сб.: Экологические исследования в г. Москве и Московской области. Состояние водных
систем. М.: ИНИОН РАН, 1992. С.31-37.
38 Иваньковское водохранилище и его жизнь. М.: Наука, 1978. 304 с.
230
39 Гидрографические
характеристики
речных
бассейнов
Европейской
территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 100 с.
40 Воробьева Н.А. Межгодовая и сезонная изменчивость запаса азота и
трансформация его соединений // Процессы формирования качества воды в питьевых
водохранилищах. М., Изд-во МГУ. 1979. С.40-49.
41 Ершова М.Г., Немальцев А.С., Пуклаков В.В., Сахарова М.И. Гидроэкологическое
состояние водохранилищ Подмосковья. // Проблемы гидрологии и гидроэкологии. Вып. 1.
М. 1999. С.282–301.
42 Ершова М.Г., Заславская М.Б., Захарова Е.А., Эдельштейн К.К.
Внутрисуточная
трансформация состава воды в Можайском водохранилище // Водные ресурсы. 2000. №4.
С.485-497.
43 Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 1. М.: Изд-во МГУ, 1971. 249 с.
44 Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 2. М.: Изд-во МГУ, 1973. 223 с.
45 Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 4. М.: Изд-во МГУ, 1978. 239 с.
46 Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 5. М.: Изд-во МГУ, 1980. 231 с.
47 Можайское водохранилище. М.: Изд-во МГУ, 1979. 467 с.
48 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 систем. М.: ИВП, 1992. С.11–18.
49 Эдельштейн К.К., Белова С.Л., Заславская М.Б., Новикова Е.В. Гидрологогидрохимические аспекты формирования качества воды в водохранилищах питьевого и
рекреационного назначения // Водные ресурсы. 1993. №5. С.565–574.
50 Ершова М.Г., Заславская М.Б., Зяблова Н.М.
Пространственно-временная
неоднородность распределения органических веществ в Можайском водохранилище //
Водные ресурсы. 1984. №4. С.130–138.
51 Ломова Д.В. Об оценке потребления кислорода грунтами водохранилища // Водные
ресурсы, 1995. Т. 22(2): С.159.
52 Даценко Ю.С., Иваненко С.А. Моделирование
водообмена
Учинского
водохранилища для оценки его влияния на цветность воды // Водные ресурсы, 1992, №1.
С.76-85.
53 Гордин И.В., Даценко Ю.С., Кочарян А.Г., Малютин А.Н.
Экпериментальноаналитический метод прогнозирования трансформации неконсервативных веществ в
водохранилищах.// Водные ресурсы. 1989. №2. С.35-45.
54 Старикова Н.Д. Донные отложения некоторых водохранилищ канала им. Москвы.
Автореферат канд. дисс. географических наук. М.: 1954. 25 c.
55 Грeчушникова М.Г., Пуклаков В.В. Пeриодизация тeрмичeского цикла водоeмов //
В сб.: Труды V конфeрeнции «Динамика и тeрмика рeк, водохранилищ и прибрeжной зоны
морeй». М.: ИВП РАН, 1999. С.114-116.
56 Ершова М.Г. О динамике водных масс Можайского водохранилища в период
ледостава. / В сб.: Комплексные исследования водохранилищ, вып.1. М.: Изд-во МГУ, 1971.
С.65–76.
57 Пуклаков В.В. Роль плотностных течений во внутреннем водообмене
водохранилища // Водные ресурсы, 1999. Т.26. №2. С.161–169.
231
58 Пуклаков В.В., Гречушникова М.Г. Термический
режим
москворецких
водохранилищ // Метерология и гидрология, 2001, №12. С.70–78.
59 Грeчушникова М.Г. Формирование
синоптического
и
сезонного
слоев
температурного скачка в пресном водоеме // Вестн. МГУ, сер. 5 География, 2005, №3.
С.31-38.
60 Хатчинсон Д. Лимнология. М.: Прогресс, 1961. 591 с.
61 Блохина Н.С., Орданович А.Е. Математическое моделирование вихревых структур
в верхнем слое водоема // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 1994, т.30. №5.
С. 686–695.
62 Грeчушникова М.Г., Антонов А.А. Расчет
составляющих
вертикального
и
горизонтального теплообмена в Можайском водохранилище по модели тепло-массообмена //
Труды Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах
России». Архангельск, Северное УГМС, 28-31 августа 2007 г. М.: 2007. С.61–64.
63 Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их
решения. М.: ГЕОС, 1998. 276 с.
64 Ершова М.Г. Боксовая модель и эффективность ее применения в исследованиях
долинного водохранилища // Вестн. Моск. ун-та, сер. 5, география, 1994, №6. С.16–23.
65 Пуклаков В.В., Ершова М.Г., Гречушникова М.Г. Математическое моделирование
внутриводоемных процессов в водохранилище // Проблемы гидрологии и гидроэкологии.
М.: Изд-во МГУ, 1999. Вып.1. С.302–317.
66 Ершова М.Г. Моделирование
гидрологической
структуры
Можайского
водохранилища // Водные ресурсы, 2003. Т.30. №2. С.142–153.
67 Трифонова И.С. Экология и сукцессия озерного фитопланктона. Л.: Наука, 1990.
180 с.
68 Hutchinson G.E. A Treatise on Limnology, Vol. II, Introduction to Lake Biology and the
Limnoplankton. John Wiley and Sons, Inc., New York, 1967–1115 p.
69 Трифонова И.С. Особенности структуры и динамики биомассы фитопланктона в
озерах с разным уровнем содержания биогенных элементов. // В сб.: Изменение структуры
экосистем озер в условиях возрастающей биогенной нагрузки. Л.: Наука, 1988. С.163–186.
70 Harris G.P., Heaney S.I., Talling J.F. Physiological and environmental constraints
in the ecology of the planktonic dinoflagellate Ceratium hirundinella. Fresh. Biol., 1979, vol. 9,
№ 2. Р.163–170.
71 Корнева Л.Г, Соловьева В.В., Русских Я.В., Чернова Е.Н.
Состояние
фитопланктона и содержание цианотоксинов в Рыбинском, Горьковском и Чебоксарском
водохранилищах в период аномально жаркого лета 2010 г. // В сб: Бассейн Волги в XXI-м
веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ // Сборник материалов
докладов участников Всероссийской конференции. ИБВВ, Борок, 22-26 октября 2012
г.Ижевск: Издатель Пермяков.
72 Лунд Д.В. Значение турбулентности воды в периодичности развития некоторых
пресноводных видов рода Melosira (Algae). // Ботан. журн., 1966, Т.51, №2. С.176–187.
73 Lewis W. Dynamic and succession of the phytoplankton in a tropical lake Lanao,
Philippines. // J. Ecol., 1978, Vol. 66, № 3. P.849–880.
232
74 Гашкина Н.А. Закономерности и оценка круговорота фосфора в системе водадонные отложения в эвтрофном водохранилище. Автореф. дис.
канд. геогр. наук.
М.:ИВП, 2003. 20 с.
75 Frempong E. Diel variation in the abundance vertical distribution and species
composition of phytoplankton in eutrophic English lake. // J. Ecol., 1981, vol. 69, №3. P.919–939.
233