Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ЗАКОННОВ
Виктор Васильевич
ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ В ВОДОХРАНИЛИЩАХ ВОЛЖСКОГО КАСКАДА
25.00.27 Ц гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора географических наук
Москва Ц 2007
Работа выполнена в Институте биологии внутренних вод
им. И.Д. Папанина РАН
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, Эдельштейн Константин Константинович
профессор
доктор географических наук, Черногаева Галина Михайловна
профессор
доктор географических наук Мартынова Муза Владимировна
Ведущая организация: Кафедра гидрологии суши и охраны
водных ресурсов географического
факультета Пермского государственного
университета
Защита состоится 12 октября 2007 г., в 11 час. на заседании
Диссертационного совета Д 002.046.04 при Институте географии РАН
по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 29.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Института географии РАН
Автореферат разослан _________________ 2007 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу, факс (495)9590033
Ученый секретарь
Диссертационного совета,
к.г.н. И.С. Зайцева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В мире насчитывается более 45атыс. водохранилищ объемом свыше 3 млн. м3 (Dams and Development, 2000). Выполняя свои основные функции - накопления пресной воды и регулирования водного стока, они задерживают транспортировку терригенного материала во внутренние и окраинные моря континентов, внося существенный дисбаланс в глобальный круговорот вещества и энергии. Поэтому исследование седиментогенеза в водохранилищах, может рассматриваться как самостоятельный раздел изучения осадочного вещества в верхнем слое литосферы Земли (Лисицын, 2001).
Водохранилища стали неотъемлемой частью ландшафтов. Главной особенностью искусственных водоемов является большая пространственная неоднородность, внутригодовая и многолетняя изменчивость гидрологических, морфометрических и гидрохимических характеристик состояния экосистем. Регулирование уровня воды обусловливает особый, присущий только водохранилищам гидроэкологический режим, который определяет специфику формирования, распределения, накопления и качественного состава седиментов.
Донные отложения (ДО) - это многокомпонентные природные объекты, отражающие в своей структуре и свойствах все разнообразие внутриводоемных, бассейновых и планетарных гидрофизических и биогеохимических процессов, непосредственно влияющих на функционирование пресноводных экосистем через взаимодействие между водой, седиментами и биотой.
Исследование донных отложений в водохранилищах имеет большое научное и практическое значение при решении общелимнологических, гидробиологических, экологических и социальных проблем, а также при проектировании водохранилищ, их эксплуатации, реконструкции и восстановлении. Изучение донных отложений с геоэкологических позиций является наиболее комплексным, так как позволяет использовать достижения различных отраслей знаний.
Сложные взаимодействия в водных экосистемах, вызванные проявлением абиотических и биотических факторов, характеризующихся как однонаправленными трендами, так и стохастическими флуктуациями, невозможно представить без качественных и количественных показателей. Цепочка связей через круговорот вещества и энергии: водные балансы - седиментационные - биотические, подкрепленные гидрофизическими и биогеохимическими оценками, становятся инструментом в познании геоэкологических процессов в гидросфере (Алимов, 2000).
Российские основоположники исследования осадкообразования в морских экосистемах Н.М. Страхов и др. (1954), А. П. Лисицын (2001), и исследователи заиления водохранилищ Г.И. Шамов (1939), Н.В. Буторин и др. (1975), Ю.М. Матарзин и др. (1981), Б.И. Новиков (1985) подготовили методологическую основу геоэкологического подхода в седиментологии, которую использовал и развил автор.
Цель и задачи исследований. Дать всестороннюю характеристику осадкообразования в водохранилищах Волги и оценить его гидроэкологическую роль в функционировании водных экосистем.
Для осуществления этой цели были поставлены следующие задачи:
- систематизировать материалы грунтовых съемок волжских водохранилищ создать базу данных;
Ц оценить роль гидродинамических и геоморфологических процессов в формировании ложа водоемов;
Ц установить закономерности современных процессов осадкообразования в водоемах замедленного водообмена с гидроэкологических позиций;
Ц выявить географические закономерности пространственно-временной трансформации распределения и накопления донных отложений;
Ц рассчитать запасы и скорость накопления органического вещества, биогенных элементов, вредных поллютантов в донных отложениях;
Ц составить балансы взвешенных наносов и биогенных элементов, наиболее корректно (количественно) характеризующие внутриводоемный круговорот вещества и энергии;
Ц унифицировать в соответствии с новыми данными и представлениями схему происхождения и формирования грунтового комплекса равнинных водохранилищ;
Ц уточнить классификацию донных отложений;
Ц установить особенности взаимодействия процессов осадкообразования и качественного состава донных отложений с биотой водохранилищ;
- спрогнозировать пути изменения грунтового комплекса в водохранилищах волжского каскада при различных вариантах естественного и антропогенного воздействия на их гидрологический режим.
Материал и методы исследований.
1. Выполнены комплексные (совместно с гидробиологами и гидрохимиками) мониторинговые грунтовые съемки Иваньковского, Угличского, Рыбинского, Горьковского, Чебоксарского, Куйбышевского, Саратовского и Волгоградского водохранилищ по закрепленной сетке гидрологических станций с помощью стандартных пробоотборников, седиментационных ловушек и оригинального оборудования, разработанного автором и изготовленного в научно-производственной мастерской ИБВВ РАН.
2. Исследован гранулометрический состав донных осадков и взвесей в сырых пробах на электромагнитной просеивающей машине УAnalusette-3Ф с насадкой прецизионных микросит до 5 микрон, фирмы УAlfred FritschФ (Германия).
3. Определен химический состав общепринятыми методиками в специализированных лабораториях Института биологии внутренних вод
(п. Борок), Гидрохимическом институте (г. Ростов-на-Дону), Институте физики Земли РАН (г. Москва), Институте экологии природных систем АН Республики Татарстан (г. Казань).
4. Выявлен характер распределения грунтов и темпов седиментации во времени, а также по глубинам, участкам и в целом по водохранилищам с использованием проектной гидротехнической документации, крупномасштабных карт, общепринятых статистических методов и картирования информации.
5. Использован до 1995 г. метод ручной дешифровки баз данных и построения карт-схем распределения донных отложений. Применен (в1999-2007 гг.) пакет лицензионных программ Arc View 8.3 UNK 117981929 и map Edit 5 для создания электронных карт.
Научно-практическая новизна и значение. Применение единых методик и прямых (in situ) определений характеристик интенсивности осадконакопления, позволяющих проследить движение масс взвешенных частиц от источника поступления до их выпадения на дно, является одним из главных приоритетов в изучении потоков вещества и энергии в водохранилищах и открывает широкие возможности в количественной гидроэкологии и новейших технологиях. В рамках ГИС УВолгаФ, способной обеспечить комплексный анализ гидроэкологических процессов в каскаде водохранилищ, выполнен первый этап работы. Создана информационная система ФВерхняя ВолгаФ (Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское) на базе интеллектуального ресурса ИБВВ РАН.
К настоящему времени зарегистрированы:
Ц тематические карты Рыбинского водохранилища (М 1: 200а000), в том числе по илонакоплению и типам донных осадков, № 02200409989;
Ц объектно-ориентированные специальные карты УГидроэкология Угличского, Иваньковского, Горьковского и Уводьского водохранилищФ (№№ 0220510829, 0220510830, 0220611249).
Значительная часть данных, используемых в системе, представляет собой геопространственную информацию. В связи с этим особенно важным является выбор и реализация специализированного WWW сервера, обеспечивающего пользователю доступ в Интернет. Владелец базы данных (БД) ИБВВ РАН, п. Борок, Ярославская область (http//ibiw.ru/volga.hm).
Исследования выполнены согласно плановых тем лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН, целевых программ, утвержденных ГКНТ СССР, Президиума и отделения общей биологии РАН, ФЦП УВозрождение ВолгиФ, грантов РФФИ (№№ 93-05-14140, 94-05-16600, 98-05-64740, 99-05-64377, 01-05-64684, 02-04-49921, 02-04-63129, 03-04-49334, 03-05-64883, 04-05-64618, 04-05-64954, 04-07-90245, 07-05-00470).
Изучение закономерностей осадкообразования, пространственно-временного распределения и накопления ДО в водохранилищах Волги является важной составляющей в познании функционально-продукционных и деструкционных процессов в зарегулированной реке.
Материалы диссертации послужили основой для разработки практических рекомендаций по снижению негативного влияния на экосистемы водоемов дноуглубительных работ, спрямления русел и подводной добычи строительных материалов, прокладки по дну газовых и нефтяных транспортных магистралей, линий кабельных электропередач, связи, автомобильных и железнодорожных мостов и проведению мероприятий по восстановлению нарушенных местообитаний гидробионтов (рекультивация отработанных карьеров, создание обвалованных водоемов - нерестово-выростных хозяйств), а также могут быть учтены в проектах будущих водохранилищ, при выборе мест водозаборов, рекреации и т. д.
На защиту выносятся:
1. Гидроэкологические аспекты осадкообразования - его роль в самоочищении и биопродуктивности водохранилищ;
2. Географические закономерности осадконакопления в водохранилищах Волги;
3. Внутриструктурная и комплексная связь донных осадков с лимнологическими показателями - количественное выражение круговорота вещества и энергии в пресноводных экосистемах на основе балансов взвешенных наносов и биогенных элементов;
4. Особенности седиментации и их использование в восстановлении биоценозов техногенных водоемов.
ичный вклад автора. В диссертации систематизированы и обобщены результаты мониторинговых исследований осадкообразования в водохранилищах Волги, выполненные с 1955 по 1975 гг. Н.В. Буториным, Н.А.Зиминовой, В.П. Курдиным (1975), а с 1975 г. по настоящее время автором.
Впервые составлены карты распределения ДО в водохранилищах Волги в масштабах 1:100 000 - 1:400 000. Оценено экологическое состояние биотопов по физико-химическим показателям. Определены зоны седиментации, трансседиментации, размыва, гидроморфного почвообразования и т. д.
Заложены основы для оценки масштабности современных био-геохимических обменных процессов в системе вода - донные осадки - биота в континентальных пресноводных водоемах.
Полученные результаты по седиментации, структуре и физико-химическим свойствам осадков были использованы автором для интерпретации исследований в озерах, водохранилищах и реках. Они осуществлены в следующих научных направлениях, обеспечивающих геоэкологический подход (водосбор - водные массы - донные осадки - биота) в изучении функционирования водных экосистем:
1. Гидролого-геоморфологическом - для оценки роли главных источников поступления осадкообразующего материала в результате переработки берегов, ложа, сплавин, эрозионных процессов на водосборе, а также взвешенных и влекомых наносов с речным стоком (Законнов, Иконников, Законнова, 1999; Законнов, 2001; Законнов, Законнова, 2003; Иванов, Законнов, Маланин, 2003);
2. Седиментологическом - для расчетов темпов осадконакопления, пространственно-временного изменения структуры и стратификации горизонтов донных наносов с использованием математических, картографических и палеомагнитных методов (Законнов, 1995; Законнов, Поддубный, 2002; Куражковский, Куражковская, Клайн, Законнов, 2002);
3. Гидрохимическом - для выяснения локализации, распределения и накопления органического вещества (ОВ), биогенных элементов (БЭ), тяжелых металлов (ТМ), полихлорбифинилов (ПХБ), и т. д. с учетом их взаимодействия по трофическим цепям и возможностью утилизации и выведения из круговорота веществ, посредством естественных природных процессов (Законнов, 1993; Гапеева, Законнов, Гапеев, 1997; Герман, Законнов, 2003; Герман, Законнов, Макрушин, 2004);
4. Гидробиологическом - для выявления количественных связей абиотических и биотических факторов среды, оценки местообитаний гидробионтов, установления связей основных физико-химических характеристик грунтов с сукцессионными процессами макрофитов, растительными пигментами (РП), токсичностью ДО, определения численности бактерий на частицах грунта различного размера и интенсивности микробиологических процессов (Романенко, Законнов, 1990; Законнов, Поддубный, 2002; Законнов, Ляшенко, 2004; Сигарева, Тимофеева, Законнов, 2004; Литвинов, Баканов, Законнов, Кочеткова, 2004; Законнов и др., 2004; Павлов, Томилина, Законнов и др., 2005; Дзюбан, Косолапов, Законнов и др., 2005; Баканов, Законнов, Литвинов, 2006).
Апробация исследований. Материалы диссертации докладывались: на ежегодных отчетных сессиях лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН (Борок, 1983Ц2007 гг.); на расширенных заседаниях кафедры гидрологии суши и лаборатории комплексных исследований водохранилищ ЕНИ при ПГУ (Пермь, 1983, 1984, 2005, 2007); республиканском семинаре по изучению взаимодействий в системе Увода - донные осадкиФ (Ереван, 1987); УВлияние водохранилищ на водно-земельные ресурсыФ (Пермь, 1987); XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987); всесоюзных конференциях УДинамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морейФ (Москва, 1989,1994); международных конференциях УЭкологические проблемы бассейнов крупных рекФ(Тольятти, 1989, 2003); Symposium on Monitoring of Water pollution, (Borok, 1994); УВеликие рекиФ, (Нижний Новгород, 2000); УАктуальные проблемы экологии Ярославской областиФ (Ярославль, 2002, 2005); УСовременные проблемы водной токсикологииФ (Борок, 2002); I Всероссийской конференции УАктуальные проблемы водохранилищФ (Борок, 2002); международных конференциях: УЭкологические проблемы северных регионов и пути их решенияФ(Апатиты, 2004); УПроблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистемФ (Астрахань, 2004); УПищевые ресурсы дикой природы и экологическая безопасность населенияФ (Киров, 2004); выездной сессии Объединенного научного совета по фундаментальным географическим проблемам при МААН УПриродно-ресурсные экологические и социально-экологические проблемы окружающей среды в крупных речных бассейнахФ (Борок, 2004); региональной конференции УПамяти Ю.М. МатарзинаФ (Пермь, 2005, 2007); IX Ogolnopolska Konferenzja Limnologizna (Polska, 2005); IV съезде гидроэкологического общества Украины (Крым, 2005), IX съезде Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 коллективных монографиях, 54 статьях, 14 из которых напечатаны в рецензируемых российских и зарубежных журналах и тезисах 18 международных, всероссийских и региональных конференциях.
Структура и объем работы. Работа изложена на 377 страницах и содержит 47 рисунков, 115 таблиц. Диссертация состоит из введения,
6 глав, заключения, списка литературы из 465 наименований, их них 68 на иностранных языках.
Выражаю благодарность учителям и коллегам, чей вклад в совместные исследования способствовал выполнению данной работы: Н.В. Буторину, Н.А. Зиминовой, В.П. Курдину, А.С. Литвинову, С.А. Поддубному,
А.И. Баканову, М.В. Гапеевой, А. В. Герману, Л. Е. Сигаревой,
Д.В. Иванову, Л. Б. Иконникову, В.А. Музалеву.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во УВведенииФ рассмотрены вопросы актуальности исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи, научно-практическая новизна и значение, личный вклад автора, предмет защиты.
Глава 1 . Физико-географические особенности водохранилищ Волги
Физико-географические характеристики водохранилищ Волги рассматриваются с позиций многофакторных особенностей и степени их воздействия на происхождение, формирование, распределение, структуру и качественный состав ДО. Бассейн Волги и ее притоков расположен в средней части Русской равнины, и только узкая полоса простирается в Уральской горной стране. Площадь водосбора 1360 тыс. км2, что составляет 62% поверхности Европейской территории России. Протяженность бассейна с севера на юг 1910 км, а с запада на восток 1805 км. Вдоль Волги тянется гигантская складка, изгибаясь, она образует волжскую флексуру, называемую УшвомФ Русской платформы. От Казани до Волгограда она переходит в Приволжский прогиб, где теряется в обширной Прикаспийской низменности (Волга и ее жизнь, 1976).
Волжский каскад вытянут в меридиональном направлении более чем на 2.5 тыс. км и пересекает несколько природно-климатических зон, что определяет особенности гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов водохранилищ и географическую зональность осадкообразования. На Европейской территории России создано 1807 водохранилищ, объемом более 1 млн. м3 и суммарной площадью акваторий свыше 45 тыс. км2 (Эдельштейн, 1998). Строительство плотин на Волге началось с создания Верхневолжского водохранилища в 1843 г. Но лишь спустя 100 лет, с 1937 по 1981 гг. было построено 8 гидроузлов, которые превратили Волгу в каскад водохранилищ комплексного назначения. Гидроморфометрические характеристики водохранилищ Волги представлены в табл. 1.
Таблица 1. Основные показатели водохранилищ Волги. Год начало заполнения; V - объем, км3; S - площадь зеркала, км2; F - площадь мелководий, км2; L - длина, км; Аmax - максимальная ширина, км; Hmax - максимальная глубина, м; Кв - коэффициент водообмена, год-1 (Авакян, Широков,1990; Эдельштейн, 1998; Литвинов, 2000).
Водохранилище | Год | V | S | F | L | Аmax | Hmax | Кв |
Иваньковское | 1937 | 1.1 | 327 | 191 | 120 | 8 | 19 | 7.9 |
Угличское | 1940 | 1.2 | 249 | 108 | 143 | 5 | 23 | 9.0 |
Рыбинское | 1941 | 25.5 | 4550 | 2553 | 250 | 56 | 30 | 1.9 |
Горьковское | 1955 | 8.7 | 1580 | 775 | 430 | 15 | 22 | 6.1 |
Чебоксарское | 1981 | 5.2 | 1200 | 637 | 340 | 9 | 23 | 19.8 |
Куйбышевское | 1955 | 52.5 | 5900 | 1924 | 484 | 40 | 41 | 5.2 |
Саратовское | 1967 | 13.4 | 1833 | 668 | 336 | 20 | 33 | 18.2 |
Волгоградское | 1958 | 31.6 | 3126 | 701 | 546 | 17 | 41 | 8.2 |
По морфологической классификации водохранилища относятся: к простым долинным руслового типа - Угличское, Саратовское, Волгоградское; сложным долинным - Горьковское, Чебоксарское, Куйбышевское; и сложным котловинно-долинным - Иваньковское и Рыбинское (Edelstein, 1995). Особенностью равнинных водохранилищ является их малая глубина (средняя глубина от 3.4 м в Иваньковском до 10.1 м в Волгоградском) и большая площадь мелководий - от 22% в Волгоградском до 58% в Иваньковском.
Специфика рельефа характеризуется резко выраженной асимметрией речных долин. Правый берег Волги на значительном протяжении крутой и высокий сложен глинисто-мергелистыми, известковисто-гипсовыми породами, левый, сравнительно низкий и пологий, - аллювиальными песками и супесью.
Дно будущих водохранилищ было представлено широким спектром почво-грунтов с четко выраженным типом широтной зональности - от торфяно-подзолисто-болотных на севере (Верхняя Волга), серых лесных, оподзоленных и выщелочных черноземов (Средняя Волга) и до темно-светло-каштановых, солонцеватых почв на юге (Нижняя Волга), а также корой выветривания.
Более подробная характеристика водохранилищ и особенности их абиотических условий, включая уровенный и термический режимы, ветро-волновые явления, течения и водные балансы, приведены в статьях и монографиях (Буторин, 1969; Буторин и др., 1975, 1982; Рыбинское Е, 1972; ВолгоградскоеЕ, 1977; ИваньковскоеЕ, 1978; КуйбышевскоеЕ, 1983; Волга и ее жизнь, 1978; Литвинов, 2000; Экологические проблемыЕ, 2001; Современное состояниеЕ, 2002) и в самой диссертации.
Создание водохранилищ привело к изменению климата, ледово-термического режима и условий жизни населения в их бассейнах. Микро- макроклиматические изменения в совокупности с глобальным потеплением заметнее всего на побережьях озеровидных расширений и глубоководных приплотинных плесах (Эдельштейн, 1989). Это приводит к сокращению времени ледостава и увеличению периода открытой воды и соответственно увеличению продолжительности гидродинамических процессов влияющих на дно и берега, вызываемых ветровыми и стоковыми течениями. Образование водохранилищ сопровождается резким увеличением численности населения и концентрацией промышленного потенциала на их берегах. Так население камских и волжских городов с 2 млн. в 1926 г. выросло до 14.5 млн. человек в 1992 г. (Города России, 1994), что привело к увеличению антропогенной нагрузки на водные экосистемы.
Гидроморфометрические характеристики водохранилищ в сочетании со спецификой геолого-литологического строения берегов и дна, роста техногенных нагрузок, режима эксплуатации накладывают отпечаток на эволюцию преобразования ложа.
Глава 2. История исследования, использованный материал
и методики
Одним из первых в России фундаментальным трудом считается книга Г.И. Шамова УЗаиление водохранилищФ (1939), в которой приводятся сведения о формировании и распределении донных отложений, методах расчета накопившихся наносов и продолжительности их занесения. Процесс осадкообразования, механизм и закономерности, связь с физико-географическими условиями среды рассмотрены в классической работе Н.М. Страхова и др. (1954). Впоследствии это получило дальнейшее развитие в исследованиях на водохранилищах Восточной Европы, отраженных в монографических трудах по верхневолжским (Буторин и др., 1975), камским (Матарзин и др., 1981), донским (Клюева, Долженко, 1983) и днепровским (Новиков, 1985) искусственным водоемам. Первоначальные исследования водохранилищ Волжского каскада были связаны с проблемами формирования ложа и переработки берегов: Рыбинского (Живаго, 1951; 1954), Куйбышевского (Широков,1965), Чебоксарского (Законнов, Иконников, Законнова, 1999). Затем появились работы посвященные формированию, распределению и накоплению ДО (Курдин, 1959, 1961; Буторин, Зиминова, Курдин, 1975; Законнов, 1981, 1995) и аккумуляции органического вещества (ОВ) и биогенных элементов (БЭ) (Законнов, Зиминова, 1984, Законнов, 1993). Следующим этапом исследования водохранилищ стал геоэкологический, обеспечивающий комплексный подход в изучении функционирования пресноводных экосистем.
За время существования водохранилищ Волги на них проведено от 2 до 6 плановых через 10Ц15Ц20 лет и специальных грунтовых съемок (табл.2), во время которых в полевых условиях определяли типы, мощность и распределение осадков, а в камеральных гидрофизические и химические показатели по единым методикам, апробированным на водоемах бассейна Верхней Волги (Буторин и др., 1975).
Таблица 2. Материалы грунтовых съемок
Водохранилище | Годы | Число станций | Количество проб | Источник данных |
Иваньковское | 1957 | 267 | 30 | Курдин, 1961 |
1968Ц1969 | 182 | 50 | Буторин и др, 1975 | |
1975Ц1976 | 191 | 145 | Законнов, 1983 | |
1990Ц1992 | 333 | 226 | Законнов, 1995 | |
Угличское | 1958 | 161 | 30 | Курдин, 1963 |
1967Ц1968 | 198 | 50 | Буторин и др., 1975 | |
1977 | 177 | 122 | Законнов, 1980 | |
1991Ц1992 | 349 | 148 | Законнов, 1995 | |
Рыбинское | 1955Ц1957 | 1082 | 70 | Курдин, 1959 |
1960Ц1962 | 650 | 120 | Курдин, 1965 | |
1965 | 721 | 150 | Буторин и др., 1975 | |
1978 | 950 | 464 | Законнов, 1981, 1983 | |
1992Ц1994 | 1454 | 500 | Законнов, 1995, 2002 | |
2002 | 87 | 31 | Законнов, Ляшенко, 2004 | |
Горьковское | 1962 | 50 | 50 | Виноградова, Эдельштейн, 1971 |
1980 | 205 | 90 | Законнов, Зиминова, 1984 | |
1992 | 234 | 78 | Законнов, 2001 | |
1999 | 348 | 90 | Законнов, 2001 | |
Чебоксарское | 1981 | 50 | 50 | Законнов, архив |
1991 | 200 | 100 | Законнов и др., 1999 | |
2000Ц2001 | 350 | 150 | Законнов и др., 2007 | |
Куйбышевское | 1957Ц1963 | 150 | 50 | Широков, 1965 |
1983 | 810 | 520 | Законнов, 1993 | |
1991Ц1993 | 250 | 250 | Законнов (архив) | |
2001Ц2002 | 1140 | 800 | Законнов и др., 2007 | |
Саратовское | 1968 | 60 | 30 | Курдин (архив) |
1985 | 124 | 100 | Законнов, Зиминова, 1993 | |
1990 | 324 | 200 | Законнов (архив) | |
2006 | 593 | 120 | Законнов, Законнова, 2007 | |
Волгоградское | 1960 | 80 | 50 | Курдин (архив) |
1985 | 245 | 150 | Законнов, Зиминова, 1993 | |
1990 | 585 | 200 | Законнов (архив) |
Съемки выполнены с помощью трубок ГОИН с вкладышами, позволяющими отбирать керны с ненарушенной структурой. Для определения интенсивности седиментации каждое водохранилище делилось на плесы (районы), участки (от 1 на Саратовском, до 20 на Рыбинском), и интервалы глубин, в пределах которых однородны морфометрия, гидрологический режим и, следовательно, условия накопления наносов (рис. 1).
Наличие в осадках маркирующего слоя в виде полуразложившейся дерновины, размытой почвы, руслового песка позволило оценить величину отложившейся толщи.
Рис. 1. Районирование водохранилищ Волги по условиям седиментации.
а - Иваньковское, b - Угличское, c - Рыбинское, d - Горьковское, e - Чебоксарское, f - Куйбышевское, g - Саратовское, h - Волгоградское. Римские цифры - плесы, районы, арабские - участки.
Объем отложений рассчитан как произведение средней толщины слоя отдельных осадков на площадь ими занимаемую. Вес наносов вычисляли по объемной массе различных типов отложений в пересчете на воздушно-сухой остаток. Накопление биогенных элементов и загрязняющих веществ рассчитывалось как произведение общего запаса отдельных типов ДО на их концентрации.
Прогнозы основывались на методе экстраполяции пространственно-временного распределения основных типов грунтов и интенсивности их накопления с корректировкой хода процесса осадкообразования на других равнинных водохранилищах с большими сроками эксплуатации и темпах переработки берегов.
При составлении балансов взвешенных веществ и биогенных элементов использовали водные балансы водохранилищ (Гидрометеорологический режимЕ, 1975; Литвинов, 2000). Балансы взвешенных веществ составлены по данным о поступлении взвесей из главных источников (абразия ложа и берегов, сток речных наносов и продукция гидробионтов), сбросам в створах гидроузлов и накоплении отложений на дне водоемов. Уравнение баланса принято, как в работах Н.А. Зиминовой и В.П. Курдина (1972, 1974). Балансы биогенных элементов рассчитаны по данным о поступлении углерода, азота и фосфора из различных источников, расходам в замыкающих створах, аккумуляции в ДО и деструкции ОВ в воде и отложениях. Расчет проводился по формулам:
для органического углерода -
(Пр+ Пб +Пв +По +Пс +Б) - (С +Д +А) = H;
для общего азота Ц
(Пр+ Пб +Пв +По +Ba+ K) - (C+A) = H;
для общего фосфора -
(Пр+ Пб +Пв +По+ Вф)- (С+А)= H, где
- поступление биогенных элементов (Пр Ц речной сток, Пб - продукты абразии ложа и берегов, Пв - сточные воды непосредственно в водоем, По Ц атмосферные осадки на зеркало водоема, Пс - продукция фитопланктона и высшей водной растительности, Б - бактериальная ассимиляция СО2, Ва, Вф - выделение из донных отложений азота и фосфора, К - азотфиксация);
Ц расход биогенных элементов (С - сброс через гидросооружения, Дс - деструкция органического вещества в воде и донных отложениях, А - аккумуляция в донных отложениях); Ц невязка баланса - H .
Несмотря на ряд трудностей, связанных с погрешностями анализов и методов расчета, были оценены возможные ошибки некоторых балансовых составляющих. При точности определения нормы водного стока, равной 6%, среднего содержания биогенных элементов в воде - 10Ц15% точность расчета поступления БЭ с речным стоком и сброса их через гидросооружения составляет 15%. Ошибка аккумуляции элементов в донных отложениях определяется ошибкой величины осадконакопления, оцениваемой в 10Ц20% (Зиминова, Курдин, 1974) и ошибкой определения средней концентрации элемента в отложениях, которая колеблется для разных глубин в пределах 10Ц30%. Суммарная ошибка произведения веса отложений на концентрацию элемента равна 20%. Оценка ошибок основных статей баланса показывает, что имеющиеся невязки (от 1 до 25%) не превосходят возможные ошибки. Это обстоятельство, а также УзамкнутостьУ составленных балансов позволяют считать, что они достаточно верно отражают ход биогеохимических процессов в рассматриваемых водоемах.
Глава 3. Происхождение и формирование грунтового
комплекса водохранилищ
Формирование донных отложений водохранилищ начинается с момента их заполнения и продолжается длительное время. Изначальный грунтообразующий комплекс затопленного ложа был представлен обнаженными кристаллическими и осадочными породами, перекрытыми чехлом аллювиальных осадков, разнообразными почвами и торфяниками. Все это созданное природой на поверхности Земли ушло под воду и послужило исходным материалом для формирования грунтов водохранилищ. За короткое время (от нескольких месяцев до нескольких лет) резко изменились условия их существования от аэральных до аэрально-аквальных (период наполнения до НПУ нормального подпорного уровня или в результате регулирования уровня воды) и аквальных (рис.2).
Рис. 2. Схема происхождения и формирования грунтового комплекса равнинных водохранилищ
Оказавшись в аквальной среде, почвы разбухают под действием процессов пептизации, а под воздействием гидродинамических сил размываются и переоткладываются (аккумулируются) в местах, где эти явления слабо проявляются (заливы, заостровные пространства, затопленные русла рек, старицы и озера). Там, где находятся подводные месторождения торфа (Иваньковское и Рыбинское водохранилища), происходит его всплытие и образование торфяных сплавин. По мере развития высшей водной растительности происходит образование отложений из отмерших макрофитов. Их избыток приводит к созданию макрофитных сплавин, которые, срастаясь с дном, образуют массивы суши, (биогенные берега), сокращая площадь акватории (Экзерцев и др., 1990).
Подъем уровня грунтовых вод и переменный подпор создают условия для формирования гидроморфных почв заболачивающихся и болотно-луговых.
В сугубо аквальных условиях формируются разнообразные донные осадки, отличающиеся особенностями гидродинамического воздействия на ложе, размерами водоема и свойствами материала, поступающего из ближайших и трансграничных (аллохтонных и автохтонных) источников. В первую очередь происходит упорядоточение гранулометрического состава в зависимости от скорости стоковых и ветровых течений и воздействия волнового размыва на дно, от крупнодисперсных - валуны, галька, гравий, песок, к тонкодисперсным (алеврито-пелитовые фракции) Цпесчанистым и глинистым илам различного цвета. Основные процессы им сопутствующие - размыв, седиментация, трансседиментация (переотложение) и первые стадии диагенеза (окислительно-восстановительные реакции).
В основе классификации грунтов водохранилищ лежит генетический принцип, разработанный В.П. Курдиным (1959) и принятый многими исследователями с небольшими изменениями и дополнениями (Новиков, 1985; Законнов, 1995) (табл.3).
Грунты водохранилищ подразделяются на три группы:
УпервичныеФ, реликтовые (остаточные) сохранившие после затопления свои свойства и качество скальные, каменистые, галечно-гравийные, песчаные (коэффициент сортировки более 2), глины и торф;
трансформированные сохранившиеся после затопления почвы и подстилающие породы - разбухшие (заболоченные), обнаженные (размытые вплоть до иллювиального горизонта) и болотно-луговые в пределах границ НПУ;
вторичные образовавшиеся в водохранилище - собственно донные осадки - гетеродисперсные минерально-органические крупнодисперсные наносы и тонкодисперсные отложения.
Каждая из групп делится на две подгруппы минеральные и органические. Первые содержат менее 30% ОВ (по потере в весе при прокаливании), вторые - более 30%. Разделение подгрупп на отдельные типы производится по гранулометрическому составу в зависимости от принадлежности (процентного соотношения) к фракциям песка, алеврита и пелита и содержания ОВ. Основным критерием выделения типа грунта служит 30% доля в преобладании той или иной фракции и содержание ОВ.
Таблица 3. Классификация грунтов и донных осадков водохранилищ Волги
Грунты | Основные физико-химические характеристики | ||||
Группа | Подгруппа | Тип | Сумма фракций, % | Органическое вещество, % | |
>0.1 мм | <0.01 мм | ||||
| Реликтовые (остаточные) | Минеральные | Скалы | Ц | Ц | <1 |
Валуны | Ц | Ц | <1 | ||
Галька | Ц | Ц | <1 | ||
Гравий | Ц | Ц | <1 | ||
Пески | >90 | <10 | <1 | ||
Глины | <10 | >90 | <1 | ||
Органические | Торф | Ц | Ц | >70 | |
| Трансформи-рованные | Минеральные | Обнаженные (размытые) почвы и породы | >30 | <30 | <3 |
Разбухшие почвы и породы | <30 | >30 | >10 | ||
Заболачивающиеся почвы | <30 | >30 | <30 | ||
Органические | Болотные почвы | <30 | >30 | >30 | |
| Вторичные | Минеральные | Пески | 100 | Ц | <1 |
Илистые пески | >70 | <30 | 1Ц5 | ||
Песчанистые илы | <70 | >30 | 5Ц10 | ||
Глинистые илы | <30 | >70 | 10Ц30 | ||
Отложения из раковин | Ц | <1 | |||
| Органические | Торфогенный ил | <30 | >30 | 30Ц40 | |
Торфянистый ил | Ц | >30 | 40Ц70 | ||
Отложения из макрофитов | Ц | Ц | >30 | ||
Главными источниками поступления осадкообразующего материала являются продукты абразии берегов, размыва ложа и сплавин (51Ц87%), речные взвеси и наносы (10Ц48%), сточные воды, атмосферные осадки и продукция гидробионтов (1Ц7%). Их доля (см. таблицу 6) определена в результате расчета приходных балансовых составляющих за многолетний период (от начала заполнения водохранилища до последней грунтовой съемки или между съемками).
Для познания процессов осадкообразования изучение режима водных взвесей в водохранилищах имеет первостепенное значение. Строительство плотин на Волге привело к тому, что из транзитной для взвесей водной магистрали с режимом среднегодового стока взвешенных веществ в верховьях - 20 мг/л (г.Тверь), а в низовьях до 120 мг/л (с. Лебяжье) она превратилась в отстойник наносов. Содержание их в районе г. Астрахани снизилось до 29 мг/л, а сток уменьшился с 19.3 до 7.8 млн. т год-1 (Тарасов, Бесчетнова, 1987).
Анализ взвесей, сбрасываемых через гидросооружения показал, что это прежде всего алеврито-пелитовые фракции. Создание гидросооружений привело к тому, что типичный гидрограф стока взвешенных наносов для незарегулированных рек - пик во время половодья, сохранился в отдельных водохранилищах (Иваньковское, Угличское), в других сместился к осенним паводкам (Рыбинское, Горьковское), когда усиливаются штормовые явления, или сменился на двувершинный (водохранилища Средней и Нижней Волги).
Естественным процессом в трансформации взвешенных веществ, поступающих из различных источников, является их интегральное перемешивание и аккумуляция на дне водоемов и водотоков в виде донных осадков. В зависимости от проявления гидродинамической активности они безвозвратно захораниваются или многократно участвуют во внутриводоемных процессах переотложения и взаимодействия с водой и гидробионтами. При этом они или теряют первоначальные свойства в результате растворения, сорбции, десорбции, микробиальной деструкции и т.д. или пребретают новые. Процесс седиментации - осаждение взвешенных минерально-органических частиц (80Ц90%), биологической субстанции и химическое выпадение солей в осадок (10Ц20%) представляет собой не просто проявление физического закона гравитации, а сложное превращение вещества и энергии в природе (круговорот), где наряду со взвешенными частицами (сестон) в процессе седиментации участвуют растворенные в воде вещества, поступившие с площади водосбора, со стоками сельскохозяйственных и промышленных предприятий, с атмосферными осадками и т. д.
При исследовании осадкообразования в крупных равнинных водохранилищах целесообразно выделять следующие виды седиментации:
- занесение - аккумуляцию всех типов наносов в расчете на площадь водохранилища при НПУ;
- осадконакопление - аккумуляцию всех типов наносов (крупнодисперсных и тонкодисперсных) на площадь их распространения, без площадей размыва и гидроморфного почвообразования;
- илонакопление - аккумуляцию тонкодисперсных отложений (алевритовой и пелитовой фракций) на площадь их распределения.
Таким образом, разделение седиментации по категориям важно, ибо в первом случае дается характеристика наносоудержания, необходимая для расчета времени эксплуатации водоема, а в других - выясняются гидроэкологические аспекты, связанные: с особенностями накопления осадков; биопродуктивностью дна; депонированием загрязняющих веществ; оценкой риска вторичного загрязнения воды; эвтрофированием водоемов; эксплуатацией; реконструкцией; реабилитацией и т. д. Это позволяет в изучении ДО использовать комплексный геоэкологический подход.
Глава 4. Пространственно-временные закономерности распределения
и накопления донных осадков
До зарегулирования р. Волги ее русло в пределах верхневолжского региона характеризовалось каменистым и крупно-песчанистым дном. От г. Ярославля вниз по течению оно становилось песчаным, а в глубоких местах (ямах), затонах, старицах, протоках (воложках) накапливались илистые отложения. Дно реки на всем своем протяжении до Каспийского моря изобиловало галечниками, где метало икру и нагуливалось обширное стадо осетровых рыб.
Морфометрические и гидрологические особенности водохранилищ обусловливают специфику распределения донных осадков. Уже первые грунтовые съемки, проведенные через 10Ц20 лет с момента их заполнения, зафиксировали резкое сокращение площадей, занятых почвами, увеличение ареалов песка в местах размыва и выделились зоны накопления тонкодисперсных отложений. От съемки к съемке идет процесс трансформации грунтового комплекса. Распределение площадей основных типов грунтов каскада волжских водохранилищ, характеризующее их изменение во времени имеет следующую последовательность (рис.3):
Ц сокращение площадей занятых почвами, переход их в категорию трансформированных грунтов и новообразованных почв - заболачивающихся и болотно-луговых;
увеличение площадей крупнодисперсных наносов;
увеличение площадей тонкодисперсных отложений, а затем их сокращение.
Рис. 3. Динамика распределения площадей основных типов грунтов и ДО водохранилищ Волги. 1 Ц трансформированные грунты, 2 Ц крупнодисперсные наносы,
3 - тонкодисперсные отложения, 4 Ц вторичные осадки.
Диаграмма суммарной величины последних (вторичных осадков) демонстрирует постепенное увеличение, а затем стабилизацию площадей. Однако это не означает, что формирование грунтового комплекса будет идентичным для всех водохранилищ. Тем не менее общие закономерности все же проявляются. На стрежневых участках в верховьях водохранилищ преобладают пески различной крупности. В местах перехода речных участков в долинные происходит накопление песчано-илистых отложений.
В озерных и приплотинных плесах, заливах, преимущественно аккумулируются илисто-глинистые отложения. Гранулометрический состав различных типов осадков, по мере увеличения глубины водоема, изменяется от песчаных к алеврито-пелитовым.
Анализ результатов грунтовых съемок свидетельствует, что в различных по морфометрии и гидрологическому режиму водохранилищах специфическим является наличие песков и трансформированных грунтов в мелководной зоне на глубинах от 0 до 3Ц6 м. Исключение составляет Рыбинское водохранилище, где из-за озерности и достаточно большого разгона ветровых волн, эта граница достигает 10 м изобаты. Вся глубоководная зона (более 14 м), так называемая русловая ложбина, занята серыми глинистыми илами и только в Рыбинском затопленное русло р. Шексны, место слияния рр. Волги и Мологи, а также пойменные затопленные озера и старицы Молого-Шекснинской низины заполнены илами торфогенного происхождения. На промежуточных отметках дна (6Ц14 м) сосредоточены переходные типы осадков - илистый песок и песчанистый ил. В закрытых от волнения заливах, вокруг всплывших торфяных массивов и затопленных болот Иваньковского и Рыбинского водохранилищ формируются отложения из отмерших макрофитов и торфянистый ил. Начиная с озерной части Горьковского и далее вниз по каскаду, в местах интенсивного обрушения правого коренного берега, сложенного глинисто-мергелистыми и известковисто-доломитовыми породами, накапливаются бурые и белые илы.
В качестве иллюстрации трансформации грунтового комплекса приводятся карты-схемы распределения ДО Рыбинского водохранилища 1955 г. (Курдин, 1957), 1978 г. - (Законнов,1981), 1992Ц1994 гг. (Законнов, 1995; 2001), (рис.4).
Рис. 4. Карты-схемы распределения ДО Рыбинского водохранилища. (А, Б, В, соответственно, съемки 1955, 1978, 1992 гг.) 1 Ц трансформированные грунты, 2 Ц песок, илистый песок, 3 Ц песчанистый серый и глинистый илы, 4 Ц торф , 5 Ц торфогенный ил, 6 Ц торфянистый ил.
Для сравнения представлена карта грунтового комплекса Рыбинского водохранилища, выполненная в пакете программ Arc GIS с дешифровкой реальной ситуации на дне (рис. 5).
Такие карты составлены по всем водохранилищам Волги, что является одним из главных достижений.
На распределение осадков оказывают влияние главным образом стоковые течения, особенно в Иваньковском, Угличском, Чебоксарском, Саратовском, Волгоградском, на речных участках Рыбинского, Горьковского и Куйбышевского, а также колебания уровней воды и ветровое волнение в Главном плесе Рыбинского, в озерной части Горьковского и Волгоградского и в расширениях Куйбышевского водохранилищ.
Рис. 5. Карта грунтового комплекса Рыбинского водохранилища (съемка 1992Ц1994 гг.). Условные обозначения: 1 - размытые почвы;
2Ц заболоченные почвы; 3 - затопленный торф; 4 - пески; 5 - песок с торфяной крошкой; 6 - песок с галькой; 7 - илистый песок; 8 Ц песчанистый ил; 9 Ц глинистый (серый) ил; 10 Ц торфянисты ил; 11 Ц торфогенный ил; 12 Ц острова.
Материалы зондирования толщи осадков использовались для определения темпов осадконакопления. Расчеты показали, что максимум отложений (по абсолютной величине) отмечается в литорали, так как основное поступление грунтообразующего материала происходит за счет эрозионно-абразионных процессов. На мелководьях накапливается 45Ц60% поступающего в водоем крупнодисперсного осадочного материала, что хорошо согласуется с независимыми геоморфологическими исследованиями по переработке берегов (Иконников, 1972; Широков, 1974; Ярославцев, 1975).
По результатам мониторинга установлено, что в каждом отдельно взятом водохранилище происходит увеличение толщины слоя осадков, но среднегодовое накопление уменьшается и выравнивается по отдельным водохранилищам с хорошо выраженным линейным трендом от северных водохранилищ бассейна к южным (табл. 4).
Таблица 4. Динамика интенсивности осадконакопления (римские цифры - номера грунтовых съемок)
| Водохранилище | Средняя толщина слоя, см | Скорость аккумуляции, мм год-1 | ||||||
I | II | III | IV | I | II | III | IV | |
Иваньковское | 6.0 | 7.5 | 9.1 | 11.2 | 3.0 | 2.6 | 2.5 | 2.1 |
Угличское | 6.8 | 7.2 | 7.9 | 12.7 | 3.8 | 2.4 | 2.1 | 2.5 |
Рыбинское | 12.9 | 13.5 | 14.0 | 14.8 | 9.2 | 5.6 | 3.8 | 2.9 |
Горьковское | 6.7 | 8.3 | 12.4 | 9.6 | 3.3 | 2.8 | ||
Чебоксарское | 0.3 | 1.3 | 4.5 | 3.0 | 1.3 | 2.3 | ||
Куйбышевское | 4.0 | 17.1 | 20.8 | 8.0 | 6.1 | 4.4 | ||
Саратовское | 0.5 | 8.5 | 14.5 | 5.0 | 4.7 | 3.7 | ||
Волгоградское | 2.0 | 14.5 | 10.0 | 5.4 | ||||
Увеличение сроков эксплуатации водохранилищ привело к дифференциации темпов осадкообразования. Вытянутость каскада в меридиональном направлении и пересечение нескольких природно-климатических зон определило географическую зональность осадкообразования, выраженную в увеличении темпов седиментации не только в среднем по водохранилищам (табл. 5), но и по участкам затопленного русла Волги от г. Твери до г. Волгограда (рис. 6). Наиболее четко она проявляется в изменении интенсивности осадконакопления - суммарного процесса осаждения крупнодисперсных наносов и тонкодисперсных отложений и менее четко по другим типам осадкообразования - занесению и заилению, которые в большей степени зависят от азональных факторов, связанных с особенностями режима эксплуатации, проточностью, уровнем воды и антропогенным воздействием.
Таблица 5. Интенсивность осадкообразования в водохранилищах Волги, (год-1)
Водохранили-ще | Занесение | Осадконакопление | Илонакопление | ||||||
мм | млн. т | кг м-2 | мм | млн. т | кг м-2 | мм | млн. т | кг м-2 | |
Иваньковское | 1.9 | 0.5 | 1.6 | 2.1 | 0.5 | 1.8 | 3.3 | 0.2 | 1.8 |
Угличское | 1.9 | 0.4 | 1.4 | 2.5 | 0.4 | 1.9 | 5.6 | 0.1 | 1.9 |
Рыбинское | 2.3 | 6.4 | 1.4 | 2.9 | 6.4 | 1.8 | 6.7 | 2.2 | 2.0 |
Горьковское | 2.2 | 2.6 | 1.7 | 2.8 | 2.6 | 2.1 | 4.5 | 1.3 | 2.3 |
Чебоксарское | 1.8 | 2.6 | 2.2 | 2.3 | 2.6 | 2.7 | 3.6 | 0.9 | 2.6 |
Куйбышевское | 3.8 | 14.6 | 2.5 | 4.4 | 14.6 | 2.9 | 7.0 | 10.0 | 3.8 |
Саратовское | 2.7 | 5.6 | 3.1 | 3.7 | 5.6 | 4.3 | 9.1 | 1.7 | 6.0 |
Волгоградское | 4.6 | 12.6 | 4.0 | 5.4 | 12.6 | 4.7 | 8.0 | 7.3 | 5.3 |
R2 | 0.59 | 0.54 | 0.84 | 0.70 | 0.54 | 0.85 | 0.50 | 0.42 | 0.81 |
Примечание. R2 - коэффициент детерминации
Рис. 6. Интенсивность осадконакопления в каскаде волжских водохранилищ по участкам. 1 - мм год-1, 2 - кг м-2 год-1 , R1, R2 - линии тренда
(R12 = 0.49, R22 = 0.79).
Исследования показали, что для водохранилищ каскада характерно увеличение темпов седиментации по их длине - от места выклинивания подпора к плотине. Так, из рисунка 6 видно - в речных участках водохранилищ отмечается снижение скоростей седиментации, а в озеровидных - увеличение, что связано с транспортом наносов и их аккумуляцией. Это свойственно для Горьковского, Чебоксарского, Куйбышевского, Саратовского и Волгоградского водохранилищ. Понижение интенсивности седиментации в Куйбышевском водохранилище (1500Ц1540 км) объясняется морфометрией участка, а в Приплотинном плесе - суточным режимом работы ГЭС, что приводит к уменьшению скорости илонакопления и увеличению массы крупнодисперсных наносов в нижележащих водоемах.
Интенсивность осадконакопления в каскаде подчинена географической зональности по целому ряду показателей. Главными факторами являются изменение природно-климатических зон водосборных бассейнов в меридиональном направлении и повышение концентраций взвесей из основных источников (абразия берегов и ложа, сток взвешенных наносов боковых притоков), обусловленные увеличением периода открытой воды (особенно в осенне-зимнее время), продолжительностью скоростей ветра > 15 м/с, литологией осадочных пород и количеством пыльных бурь (Законнов, Законнова, 2007).
Таблица 6. Трансформация балансовых характеристик взвешенных наносов, %
Водохранилище | Период, гг. | ПРИХОД | РАСХОД | |||
Абразион-ная деятель-ность | Сток речных наносов | Продук-ция гидроби-онтов | Сброс через гидросо-оружения | Осадко-накопле-ние | ||
Иваньковское | 1937Ц682) | 66 | 29 | 5 | 29 | 71 |
1937Ц76 | 68 | 26 | 6 | 27 | 73 | |
1937Ц90 | 63 | 30 | 7 | 30 | 70 | |
Угличское | 1940Ц682) | 58 | 39 | 3 | 44 | 56 |
1940Ц77 | 57 | 41 | 2 | 43 | 57 | |
1940Ц91 | 57 | 40 | 3 | 38 | 62 | |
Рыбинское | 1941Ц652) | 80 | 18 | 2 | 5 | 95 |
1941Ц78 | 84 | 14 | 2 | 4 | 96 | |
1941Ц94 | 87 | 10 | 3 | 4 | 96 | |
Горьковское | 1955Ц803) | 78 | 20 | 2 | 7 | 93 |
1955Ц99 | 65 | 32 | 3 | 16 | 84 | |
Чебоксарское | 1981Ц91 | 45 | 51 | 4 | 54 | 46 |
1991Ц01 | 61 | 36 | 3 | 37 | 63 | |
Куйбышевское | 1957Ц611) | 68 | 31 | 1 | 2 | 98 |
1961Ц02 | 85 | 14 | 1 | 5 | 95 | |
Саратовское | 1967Ц85 | 57 | 42 | 1 | 40 | 60 |
1967Ц06 | 67 | 32 | 1 | 31 | 69 | |
Волгоградское | 1958Ц85 | 51 | 48 | 1 | 23 | 77 |
1959Ц004) | 73 | 26 | 1 | 20 | 80 | |
Примечание. 1) - Широков, 1964; 2) - Буторин, Зиминова, Курдин, 1975;
3) Ц Ярославцев, 1975; 4) ЦФилиппов, 2004.
Исходя из балансовых характеристик, основная масса наносов, поступающих из аллохтонных и автохтонных источников, оседает в водоеме (62Ц96%), через гидросооружения сбрасывается от 4 до 38% (табл.6).
В расходной части сброс взвесей через замыкающие гидроузлы находится в зависимости от доли наносов, накопившихся на дне, которая выражает полную наносоудерживающую способность водохранилища.
Характер пространственно-временного распределения грунтового комплекса и накопления осадков свидетельствует о том, что интенсивная стадия формирования ложа сменилась на пассивную. Водохранилища, в отличие от древних озерных систем, находятся в большей степени под влиянием неустоявшихся естественных и антропогенных факторов, поэтому период стабилизации распределения основных типов грунтов наступит не скоро. Исходя из вышеперечисленных тенденций, распределение донных осадков на ближайшую перспективу будет примерно таким, как по результатам последних грунтовых съемок, а на отдаленную - с учетом гидродинамических и геоморфологических процессов.
В диссертации представлены три варианта прогноза:
1. При существующем режиме эксплуатации водохранилищ кривые площадей вторичных осадков и трансформированных грунтов не соединятся ни в ближайшее, ни в отдаленное время. Изменения площадей донных отложений (в отдельности для крупнодисперсных и тонкодисперсных наносов) будут носить волнообразный асинхронный характер. Их колебания связаны с разными периодами водности (маловодными и многоводными);
2. В связи с тем, что режим эксплуатации водохранилищ находится под контролем и уровни воды независимо от периода водности поддерживаются стабильно, графики площадей, при соблюдении этих условий станут относительно прямыми и параллельными. Рассмотренный вариант может быть характерен только для отдельных водохранилищ;
3. Конечная стадия существования водохранилищ, когда в результате занесения и заболачивания все кривые сливаются в одну. Водохранилищам это не грозит, так как потеря полного объема в водохранилищах Волги не превышает 0.07% в год. Такая картина характерна для бессточных озер, когда некоторые из них превращаются в болота. Скорее всего, будет превалировать первый вариант, как наиболее отвечающий ритмичному характеру природных процессов.
Максимальная толщина осадков, зарегистрированная в Иваньковском водохранилище, составляет 120 см, в Угличском - 85, в Рыбинском - 300, в Горьковском - 96, в Чебоксарском - 110, в Куйбышевском - 120, в Саратовском - 65 и в Волгоградском - 85 см.
Итак, материалы грунтовых съемок разных лет и количественная оценка компонентов балансов взвешенных веществ позволили установить, что формирование ложа произошло практически во всех водохранилищах Волги. Изменения в распределении площадей грунтов и ДО, темпов седиментации в отдельных водохранилищах будут носить локальный характер и зависеть от гидрометеорологических особенностей периода, предшествующего грунтовой съемке и режима эксплуатации водного объекта.
Глава 5. Состав и свойства донных отложений
Состав ДО определяет их свойства и способность участвовать во внутриводоемных процессах, связанных с адсорбцией и десорбцией взвешенного и растворенного ОВ, БЭ, ТМ и других поллютантов. В пелитовой фракции взвесей р. Волги, содержится (%): кварц Ц10, полевые шпаты - 3, сумма глинистых минералов (иллит, хлорит, монтмориллонит, каолинит) - 87 (Гордеев, 1983). Присутствие последних в тонкодисперсных осадках водохранилищ свидетельствует об высоких сорбционных возможностях илов, ранней стадии диагенеза и о близости водохранилищ к источникам поступления взвесей, так как их строение (наличие угловатости и шероховатости) весьма близко к частицам глинистых и суглинистых почв на речных водосборах.
В зависимости от гидродинамических процессов происходит распределение и локализация химических ингредиентов, в основном в тонкодисперсных отложениях, обогащенных трудноусвояемыми фрагментами органического вещества в виде полуразложившихся остатков макрофитов и торфа - естественных природных сорбентов.
Гранулометрический состав - главный показатель типа донных осадков, характеризует воздействие гидродинамических процессов на структурный скелет проб, от которого напрямую зависят гидрофизические свойства. Прежде всего - это объемная масса, отражающая плотность и влагоемкость образца, как необходимых элементов для определения абсолютных масс вещества, накопившегося на дне.
Особый интерес в биотическом круговороте представляет задача определения содержания, распределения и накопления биогенных элементов в донных отложениях.
Установлено, что средние концентрации Pобщ в ДО практически одинаковы для всех водохранилищ (0.07Ц0.11%), Cорг (1.6Ц2.5%) и Nобщ (0.18Ц0.28%) близки между собой, за исключением Рыбинского (Cорг - 4.7%, Nобщ - 0.35%).
В долинных водохранилищах, каковыми являются по существу все водохранилища Волги содержание биогенных элементов в осадках, отобранных в русловой части возрастает от места выклинивания подпора к плотине. Это также четко выражено в среднем по участкам, расположенным последовательно по длине водохранилищ (Зиминова, Законнов, 1980а,б; Законнов, 1993).
В отложениях Рыбинского водохранилища содержание биогенных элементов увеличивается от речных плесов к Главному, но причины повышения иные. Высокое содержание ОВ в нем связано с наличием торфяных сплавин и обогащением продуктами их размыва всех типов отложений. Исключение составляет Горьковское водохранилище, в котором максимальные концентрации углерода и азота зафиксированы в верховьях (ниже г. Костромы), где начинают формироваться илистые отложения за счет аккумуляции взвесей, приносимых из Рыбинского водохранилища и мелководного, заросшего высшей водной растительностью, Костромского расширения. Повышенное содержание биогенных элементов в отложениях наблюдается в устьях притоков и на выходах из заливов. С глубиной водоемов происходит возрастание интенсивности илонакопления, а вместе с ней увеличивается и содержание биогенных элементов в осадках.
В последние 15 лет отмечается уменьшение концентраций БЭ в поверхностных горизонтах, что связывается с замедлением промышленного и сельскохозяйственного производства. Все это благоприятно сказалось на функционировании пресноводных экосистем (Экологические проблемыЕ, 2002).
В работе рассматриваются также распределение и локализация в донных отложениях ТМ и ПХБ, которые представляют опасность для человека и гидробионтов (Гапеева, Законнов, Гапеев, 1997; Герман, Законнов, 2003, 2004).
Исследование физико-химических характеристик ДО с применением метода главных компонент и кластерного анализа показало, что основной источник общих форм ТМ, поступающих в водохранилища Волги, - терригенная взвесь.
Для Иваньковского водохранилища характерно значительное антропогенное загрязнение Cu и Zn. Оно четко просматривается и на верхних участках Угличского. В Рыбинском водохранилище вариации концентраций ТМ в ДО в значительной степени объясняются распределением торфянистых частиц. Выявилась четкая локализация повышенных концентраций Pb и Cr в ДО Шекснинского плеса, находящегося под воздействием Череповецкого промышленного узла.
Анализ распределения органических токсикантов в водных экосистемах показывает их преимущественное накопление в ДО. К примеру, из всей массы ПХБ, поступающих в Рыбинское водохранилище, 95% сосредоточено в ДО и только небольшая часть (около 5%) циркулирует в биотической составляющей - бентосе и рыбе. Исходя из этого, мониторинг содержания токсикантов в водохранилищах должен осуществляться, прежде всего, на основе контроля их содержания в ДО, обращая особое внимание на аккумулирующую способность отдельных типов грунтов.
Районирование Рыбинского водохранилища по степени опасности для населения, употребляющего речную рыбу в пищу, указывает, что самым неблагоприятным является Шекснинский плес. В Главном, Волжском и Моложском плесах концентрации токсикантов минимальны.
Полученные результаты позволили картировать ДО по типу загрязнения ТМ и ПХБ, и оценить зоны влияния отдельных источников поступления загрязняющих веществ (Гапеева, Законнов, Гапеев, 1997; Герман, Законнов, 2003).
Сравнение материалов по внутриструктурным корреляциям ДО провели В.П. Курдин на верхневолжских (Буторин и др., 1975) и Б. И. Новиков (1985) на отдельных днепровских водохранилищах. Корреляционные связи определялись по основным (легкоанализируемым) физико-химическим показателям. В результате проделанной работы выявлен единый подход и общие закономерности, особенно для идентичных отложений различных водохранилищ, принадлежащим бассейнам Волги и Днепра. Они свидетельствуют об общей природе образования вторичных отложений, характерной для равнинных водохранилищ. Выявлению внутриструктурных корреляционных связей посвящено много работ, поэтому, не акцентируя внимание на этом, был сделан упор на комплексную модель осадков, описывающую многообразие взаимосвязей между физико-химическими свойствами отложений, их локализацией и накоплением в зависимости от динамики водных масс, лимнологических показателей, гидрохимических и гидробиологических оценок, объясняющих круговорот вещества и энергии в гидросфере.
Исследованы физико-химические свойства кернов осадков русловой части Волжского плеса Рыбинского водохранилища. Показана связь физических свойств осадков с эволюцией геоморфологических процессов и количеством органического вещества. По изменению палеомагнитных свойств выявлены синхронно образовавшиеся горизонты отложений, соответствующие определенным этапам формирования грунтового комплекса водоема и неординарным эколого-климатическим эпизодам. По характерному поведению магнитных параметров и содержанию ОВ в донных отложениях выделены три этапа руслового илонакопления: интенсивное накопление размытой почвенной органики; накопление преимущественно минеральных осадков (за счет размыва прирусловых донных возвышенностей - банок); увеличение процентного количества органики (в основном остатков фитопланктона). Показана возможность использования магнитных параметров отложений для реконструкции сведений о некоторых эколого-гидрологических процессах, где отсутствует мониторинг за состоянием грунтов (Курашковский и др., 2002).
Полученные материалы позволяют выявить закономерности функционирования водных экосистем, что является актуальнейшей проблемой современной лимнологии.
Глава 6. Роль донных осадков в водных экосистемах
Исследование ДО имеет общелимнологическое значение, так как наряду с изучением физического процесса седиментации под действием гравитационных и гидродинамических сил, осадки вовлекаются во внутренние и внешние биотические круговороты вещества и энергии в гидросфере, определяя тем самым их огромную роль в водных экосистемах.
Аккумуляция органического вещества и биогенных элементов не является ведущим типом накопления в водохранилищах, но в силу большой экологической значимости требует изучения и количественной оценки (Россолимо, 1964). В зависимости от соотношения скоростей накопления БЭ в ДО и противоположно направленных процессов выноса в водную фазу они или выходят из биотического круговорота, или многократно участвуют в нем, поддерживая уровень трофии. Скорость аккумуляции БЭ в ДО является, таким образом, важным фактором биотического круговорота.
В многочисленные динамические модели экосистем аккумуляция БЭ в седиментах также входит как один из существенных параметров. Однако несмотря на наличие большого числа исследований содержания и распределения отдельных БЭ в отложениях водоемов, количественные оценки скорости накопления малочисленны. В большинстве случаев они основываются на балансовых расчетах, когда аккумуляция БЭ рассчитывается как разность поступления их в водоем и сбросом из него.
Таблица 7. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях
Водохранилище (период) | Масса отложений, млн. т | Аккумуляция за период, тыс. т | Скорость аккумуляции, г м-2 год-1 | ||||
C | N | P | C | N | P | ||
Иваньковское (40) | 22 | 416 | 43 | 15 | 32 | 3.4 | 1.2 |
Угличское (38) | 10 | 180 | 21 | 9 | 19 | 2.3 | 1.0 |
Рыбинское (38) | 176 | 8176 | 619 | 124 | 47 | 3.6 | 0.7 |
Горьковское (25) | 50 | 1240 | 127 | 56 | 31 | 3.2 | 1.4 |
Чебоксарское (20) | 52 | 884 | 94 | 42 | 37 | 3.9 | 1.8 |
Куйбышевское (28) | 520 | 11400 | 1000 | 500 | 63 | 6.5 | 2.6 |
Саратовское (18) | 17 | 341 | 34 | 15 | 10 | 1.0 | 0.5 |
Волгоградское (28) | 205 | 3350 | 373 | 168 | 38 | 4.3 | 1.8 |
При использовании балансового метода возможные ошибки расчетов и неучет тех или иных статей могут привести к значительным просчетам в определении величины аккумуляции элементов в отложениях. Поскольку метод оценки запаса и скорости аккумуляции БЭ по массовым данным прямых измерений дает наиболее надежные результаты, автор отдал ему предпочтение. Аккумуляция биогенных элементов в ДО определялась за период 18Ц40 лет (табл.7).
На основе имеющихся данных составлены замкнутые средние многолетние балансы органического углерода, общего азота и общего фосфора верхневолжских водохранилищ (табл.8).
Таблица 8. Структура среднемноголетних балансов биогенных элементов в верхневолжских водохранилищах, %
Статьи балансов | Иваньковское | Угличское | Рыбинское | ||||||
C | N | P | C | N | P | C | N | P | |
П Р И Х О Д | |||||||||
Речной сток | 61 | 68 | 68 | 82 | 87 | 70 | 54 | 67 | 39 |
Абразионные процессы | 1.5 | 6 | 17 | 1 | 1 | 19 | 10.5 | 15 | 54 |
Сточные воды | 0.5 | 16 | 12 | <0.5 | 5 | 7 | <0.5 | 2 | 2 |
Атмосферные осадки | 0.5 | 1 | 0.5 | <0.5 | 1 | 0.5 | 0.5 | 2 | <0.5 |
Продукция фитопланктона и высшей водной растительности | 36 | 17 | 34 | ||||||
Выделение из отложений | 7 | 2.5 | 5 | 4 | 7 | 5 | |||
Бактериальная ассимиляция CO2 | 0.5 | <0.5 | 1 | ||||||
Азотфиксация | 2 | 1 | 7 | ||||||
Р А С Х О Д | |||||||||
Сток через гидросооружения | 64 | 92 | 67 | 74 | 96 | 80 | 29 | 69 | 26 |
Деструкция в воде | 28 | 19 | 43 | ||||||
Деструкция в ДО | 4 |
| 5 |
| 9 | ||||
Аккумуляция в ДО | 4 | 8 | 33 | 2 | 4 | 20 | 19 | 31 | 74 |
Невязка баланса, % | 1 | 16 | 6 | 1 | 3 | 5 | 25 | 5 | 10 |
Главным источником поступления биогенных элементов в Иваньковское и Угличское водохранилища является речной сток, дающий 61Ц82% прихода Cорг , 68Ц87% Nобщ и 68Ц70% Робщ .В Рыбинское водохранилище Cорг и Nобщ поступают, в основном, с речным стоком - 54 и 67%, а Робщ с абразией берегов и дна - 54%. Суммарные вклады фитопланктона и высшей водной растительности в пополнение органическим веществом Иваньковского и Рыбинского водохранилищ практически одинаковы (34Ц36%).
Для Угличского водохранилища эта статья баланса в два раза ниже. Со сточными водами поступает около 0.5% Сорг , 2Ц16% Nобщ и Робщ, причем максимальные значения соответствуют Иваньковскому, а минимальные - Рыбинскому водохранилищу. Поступление биогенных элементов из других источников составляет незначительную долю годового прихода (0.5Ц7.0%).
Основная масса БЭ, поступающих в Иваньковское и Угличское водохранилища, сбрасывается через гидроузлы - 64Ц96%, а в Рыбинском этот показатель значительно ниже - 26-69%. Водообмен, обусловливающий сброс большей части органических соединений из водохранилищ и высокие скорости деструкции органического вещества в воде - 113Ц139 г С/м2 год и в донных отложениях - 58 г С/м2 год (Романенко, Кузнецов, 1972), определяют низкие темпы аккумуляции всех биогенных элементов. Так, в Иваньковском и Угличском водохранилищах они равны, соответственно: 4% Сорг , 8% Nобщ , 33% Робщ; 2.% Сорг , 4% Nобщ , 20% Робщ . В Рыбинском водохранилище темпы аккумуляции несколько выше - 19% Сорг, 31% Nобщ и 74% Робщ .
Таблица 9. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях и лимнологические параметры ее определяющие
Сред-няя глуби-на, м | Во-до- об-мен, год-1 | Биогенная нагрузка,* г м-2 год-1 | Коэффициент седиментации, (), год-1 | Коэффициент удержания (R), % | ||||||||||
R= / +ρw | Годовая аккумуляция / общий приход | |||||||||||||
hср | ρw | C | N | P | c | N | p | Rc | RN | Rp | Rc | RN | Rp | |
Иваньковское водохранилище | ||||||||||||||
3.4 | 8 | 600 | 37 | 3 | 0.7 | 0.7 | 4.3 | 8 | 8 | 35 | 4 | 8 | 33 | |
Угличское водохранилище | ||||||||||||||
5.0 | 9 | 765 | 66 | 5 | 0.3 | 0.3 | 3.0 | 3 | 3 | 25 | 2 | 4 | 20 | |
Рыбинское водохранилище | ||||||||||||||
5.6 | 1.9 | 200 | 12 | 1 | 0.7 | 0.5 | 3.0 | 27 | 21 | 61 | 19 | 31 | 74 | |
* Ц для расчета нагрузки на водоем использовались величины суммарного поступления биогенных элементов в водохранилища (Зиминова, Законнов, 1982а, б).
Полученные величины аккумуляции и среднегодовые концентрации БЭ в водной массе водохранилищ, приводимые в монографии УВолга и ее жизньФ (1978) позволили рассчитать коэффициенты седиментации БЭ (табл. 9), которые представляют собой отношение массы элемента, аккумулируемого в донных отложениях к концентрациям в водной толще (Vollenweider, 1969).
Результаты, представленные в таблице 9, показывают, что коэффициенты седиментации углерода и азота оказались равными, а фосфора - в 4Ц10 раз больше, чем углерода и азота. Скорость осаждения фосфора (р h ср), характеризующая в данном случае не физический процесс осаждения , а являющаяся балансовой величиной, интегрирующей по времени все перемещения фосфоросодержащих частиц и учитывающая эффект минерализации, равна 15Ц17 м / год. Скорость осаждения углерода и азота в верхневолжских водохранилищах составляет 2Ц4 м / год.
Обращают на себя внимание заметные различия в скоростях аккумуляции и коэффициентах седиментации БЭ в водохранилищах. Несмотря на то, что биогенная нагрузка в Угличском водохранилище больше, а водообмен, по сравнению с Иваньковским, возрастает незначительно, интенсивность седиментации углерода и азота в нем в 2 раза, а фосфора в 1.5 раза меньше, чем в Иваньковском. Это связано с тем, что регулирование стока Волги Иваньковским гидроузлом приводит к снижению доли взвешенной формы БЭ в волжском стоке, поступающем в Угличское водохранилище. Этим обстоятельством в большей степени, чем незначительным усилением водообмена, обусловлено уменьшение накопления БЭ в донных отложениях Угличского водохранилища. Уменьшение водообмена в 4-5 раз в Рыбинском, по сравнению с вышележащими водохранилищами не вызывает пропорционального увеличения в нем интенсивности седиментации. Объясняется это активным ветровым перемешиванием водной толщи в течение большей части года, которое препятствует осаждению взвесей и способствует выносу их в нижний бьеф с последующей аккумуляцией на дне Горьковского водохранилища.
Таким образом, скорость аккумуляции и величина коэффициентов седиментации (), определяются не только скоростью водообмена (ρw), но и целым рядом других характеристик водоема и водосбора, в том числе особенностями химической природы элементов, определяющими формы их миграции в ландшафте (Законнов, Зиминова, 1984).
Зная величины коэффициентов седиментации, годовые скорости аккумуляции и общий приход БЭ в водохранилище, можно оценить их биогеноудерживающую способность двумя способами: 1) - по модельному уравнению
R= / + ρw (Vollenweider, 1975);
2) - по данным наблюдений - R = годовая аккумуляция / общий приход. Как следует из таблицы 9, оба способа дают сопоставимые результаты. Для практических расчетов, зная только коэффициенты седиментации, можно рекомендовать первый из них, как более простой. Расчет средних многолетних концентраций азота и фосфора в верхневолжских водохранилищах за 40-летний период по модельному балансовому уравнению:
M= L / hср(+ ρw),
где М - средняя годовая концентрация элемента в воде (г м-3 ), L Ц нагрузка элемента на водоем (г м-2 год-1), дал величины близкие к полученным по данным наиболее полных наблюдений за 1968Ц1976 гг. Следовательно, количественная оценка коэффициентов седиментации БЭ в верхневолжских водохранилищах делает принципиально возможным использование балансовой модели для расчета биогеноудерживающей способности и содержания биогенных элементов в воде при различных внешних нагрузках их на водоем и может быть использована для равнинных водохранилищ (Зиминова, Законнов, 1982).
Проведенные на Горьковском и Чебоксарском водохранилищах исследования связей между основными характеристиками донных сообществ, физическими параметрами грунтов, глубиной, скоростью течения и содержанием загрязняющих веществ в ДО и воде показали наличие достоверных корреляций между ними. Состояние бентоса в первую очередь определяется характером грунтов. Обнаруженная положительная корреляция между бентосом и содержанием в ДО тяжелых металлов не является причинной зависимостью, а объясняется тем, что илистые отложения, интенсивно депонирующие загрязняющие вещества, наиболее привлекательны и для бентоса (Литвинов и др., 2004; Баканов, Законнов, Литвинов, 2006).
Одним из элементов взаимодействия геосистем бассейна водоема и его акватории, являются мелководья, где обмен веществом и энергией наиболее активен. Мелководья это одновременно гидрофизический и биогеохимический реактор водоема, где образуется и накапливается осадочный материал различного генезиса, перерабатывается и вновь создается продукция, обогащающая своими ингредиентами водные массы и донные осадки. Общая площадь мелководий составляет 5120 км2 (27.3% площади всех акваторий водохранилищ Волги). Здесь же благодаря гидролого-гидрохимическим особенностям, происходит энергичная микробиологическая деструкция аллохтонного и автохтонного ОВ (ЭкосистемаЕ, 1989). Прибрежные сообщества при благоприятных условиях обеспечивают потребителей легкоусвояемой пищей, являются местом нереста и нагула ценных пород рыб.
Являясь одним из главных гидробиологических элементов мелководий высшая водная растительность (ВВР) принимает как пассивное участие в формировании и распределении осадков, так и активное, выступая пионером освоения новых пространств и продуцирования органического вещества. По оценке В.А. Экзерцева и др. (1971, 1974) площади зарастания водохранилищ находятся в постоянной динамике, вызванной увеличением ареалов отдельных формаций растительности или их сукцессией. Результаты грунтовых съемок свидетельствуют, что ДО мелководий отличаются большим разнообразием и динамизмом. Так, анализ пространственно-временного распределения основных типов грунтов и зарослей ВВР показал их разнонаправленные тренды, не связанные с флуктуациями площадей грунтов.
Процессы зарастания мелководий испытывают существенные изменения, отчасти не связанные с типом грунта, и носят более стохастический характер, зависящий от множества факторов: от видового состава и плотности зарослей, благоприятных условий для их развития, межвидовых конкурентных взаимоотношений, наличия фагов и т.д. Однако, одно бесспорно - с увеличением площадей зарастания увеличиваются площади отложений отмерших макрофитов.
Важность изучения растительных пигментов (РП) в водоемах состоит не только в том, что они служат индикаторами различных структурно-функциональных организаций экосистем, но и принимают непосредственное участие в биоэнергетических процессах (Бульон, 1994; 1999). РП в ДО можно рассматривать как показатели соотношения продукционных и деструкционных процессов, поскольку они отражают итог преобразований ОВ при его синтезе первичными продуцентами (растительными организмами) и трансформации консументами и редуцентами, охватывая тем самым изменения во всех звеньях трофической цепи и компонентах экосистемы.
Статистическая обработка данных по водохранилищам выявила наличие тесной связи пигментов с типами грунта. Наблюдается увеличение их концентраций от 1.4 0.4 до 137.2 12.1 мкг г-1 сухого грунта в ряду: песок - илистый песок - песчанистый - торфогенный - глинистый илы. Анализ зависимости содержания растительных пигментов от свойств отложений показал наличие взаимосвязи, характеризующейся высокими положительными коэффициентами корреляции между валовым содержанием хлорофилла (в сумме с феопигментами) с влажностью грунта (R2=0.84) и с концентрацией органического вещества (R2=0.81) (Сигарева, Тимофеева, 2005).
Характер связи пигментов с влажностью грунтов отражает роль растительных сообществ в формировании ДО разного типа, а с ОВ свидетельствует о главенствующей роли растительных организмов в образовании фонда седиментационного органического вещества. Наличие этих связей и возможность ее количественной оценки составляет основу для использования данных о распределении пигментов и разного типа грунтов в качестве показателей трофического состояния водоемов.
Согласно градации водоемов на две трофические группы - высоко и низкопродуктивные (Swain, 1981) волжские водохранилища попадают в разряд последних. В ряду исследуемых водохранилищ по среднему содержанию РП в ДО, лидирует Чебоксарское водохранилище, характеризующееся самыми высокими показателями первичной продукции и водообмена (Сигарева, Тимофеева, Законнов, 2004).
Качество воды является результатом функционирования водных экосистем (Романенко, 2004). Оно зависит не только от антропогенной нагрузки в результате поступления загрязняющих веществ (ЗВ) в водохранилища из различных источников, но и вторичного загрязнения.
Существующее в настоящее время значительное число технических наработок по восстановлению пресноводных объектов предназначено, прежде всего для наземных экосистем, а для водных - имеют лишь профилактическое значение. Интенсивная реабилитация крупных водохранилищ связана с огромными затратами и вряд ли будет возможна. Очистка водоемов от вредных токсикантов может быть осуществлена увеличением проточности (при отсутствии дальнейшего поступления ЗВ). Однако в случае резкого понижения уровня воды и, следовательно, увеличения водообмена вся масса загрязняющих веществ будет распространена не только на водохранилище-приемник техногенных стоков, но и далее вниз по каскаду, провоцируя тем самым вторичное загрязнение воды.
Предотвращение поступления сточных вод в водохранилища задача важнейшая и успешно решается биотехническими методами с использованием водоемов-отстойников (грубая очистка), химическими (нейтрализация) и биологическими (с помощью микроорганизмов и их консорциумами с растительностью) технологиями (Романенко и др., 1976; Гоготов, 2005; Сопрунова, 2005 и др.). Биотехнологии защиты окружающей среды - это тот инструментарий, который призван обеспечить восстановление затронутых деятельностью человека экосистем. Одним из современных методов, используемых при разработке экотехнологической очистке окружающей среды, является биоремедиация - наиболее щадящий метод сохранения биоразнообразия и обеспечения устойчивости очищающих биоценозов. (Янкевич и др., 2005).
Как показали исследования на Рыбинском водохранилище, значительная часть токсикантов сосредоточена в осадках торфогенного типа (Козловская и др., 1990). Естественные торфяные модификации, находящиеся в водохранилище, в результате размыва затопленных месторождений и всплывших торфяников, сорбируют загрязняющие вещества, поступающие со сточными водами г. Череповца, и способствуют выпадению их в осадок. Таким образом, торф, забивавший гидроагрегаты плотин в первые годы существования водохранилищ, был негативным фактором, а в настоящее время, являясь природным сорбентом, связывает комплекс ЗВ и способствует их безвозвратному захоронению.
Неоспоримым фактом является то, что ДО, загрязненные токсикантами и радионуклидами, непрерывно изолируются из общего круговорота веществ в результате интенсивного илонакопления, которое в каскаде составляет в среднем 3.3Ц9.1 мм год-1 (3.0Ц60.0 мм год-1).
Апробацию методов захоронения химических веществ и радионуклидов автор отрабатывал на Рыбинском и Киевском водохранилищах (1987Ц1989 гг.) в составе комплексной гидробиологической экспедиции во время изучения последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС и аварии на Череповецком металлургическом комбинате УСеверстальФ. Процессы естественного захоронения токсических отходов и радионуклидов в устьевых участках притоков и затопленных руслах рек оказались более эффективными, чем искусственные траншеи и ямы-отстойники и предотвратили загрязнение каскадов волжских и днепровских водохранилищ и лиманов Черного моря.
Заключение
Водохранилища занимают особое место среди водных объектов. Их специфика заключается в том, что они являются техногенными образованиями, режим работы которых регулируется и контролируется человеком. В процессе формирования и становления водоемов замедленного водообмена главным считается изменение в строении котловины, включающее переработку берегов и ложа, распределение и накопление донных осадков, затем аккумуляция органических и загрязняющих веществ на дне и выделение их в водную толщу. Эти процессы оказывают влияние на продуктивность и функционирование пресноводных экосистем и качество воды.
Основные итоги выполненного исследования сводятся к следующему:
- обоснован методологический подход в изучении осадконакопления с использованием прямых (in situ) определений толщины вторичных осадков, позволивший получить новые выводы, необходимые для объяснения закономерностей осадкообразования в каскаде;
Ц составлены карты грунтового комплекса водохранилищ Волги;
- создана база данных по гидроэкологии водохранилищ Верхней Волги (ГИС), отражающая абиотические и биотические параметры среды (информационный ресурс 120 Мб), которая может быть использована на более высоком уровне исследований и управления процессами в пресноводных экосистемах.
Выводы
- Физико-географические условия бассейна Волги обусловливают терригенный характер накопления минеральных и органических веществ в каскаде водохранилищ.
- Формирование площадей трансформированных грунтов идет по нисходящему графику, крупнодисперсных осадков - по восходящему, а тонкодисперсных отложений в виде флуктуаций, зависящих от внутривековой цикличности осадкообразования, определяемой гидрометеорологическими условиями (водностью периода) и режимом эксплуатации водоемов.
- По результатам мониторинга выявлены динамика накопления ДО (от лавинной седиментации 3Ц10 до пассивной 2Ц5 мм/год) и флуктуации балансовых характеристик взвешенных веществ с тенденцией постепенного сокращения абразионной деятельности.
- Уменьшение полного объема водохранилищ за счет накопления донных осадков находится в пределах 0.02Ц0.07%, а в среднем 0.05% в год, что не угрожает занесению каскада волжских водохранилиищ в ближайшую тысячу лет.
- Установлена закономерность увеличения осадконакопления в водохранилищах каскада (от 2.1Ц2.9 в водохранилищах Верхней, 2.8Ц4.4 Средней, до 3.7Ц5.4 мм/год Нижней Волги), обусловленная географической зональностью.
- Составлены прогнозы путей формирования грунтового комплекса равнинных водохранилищ (вариант 1 - с учетом ритмичности природных процессов, 2 - с учетом регулирования режима эксплуатации и 3 - на конечную стадию функционирования водоемов).
7. Оценена роль гидроэкологических особенностей седиментации в улучшении качества воды и восстановлении биоценозов, так интенсивность илонакопления 3.3Ц9.1 (мах. до 60 мм/год) приводит к изоляции токсических соединений и выводу их из круговорота веществ.
Список основных публикаций по теме диссертации
Монографии:
1. Экосистема озера Плещеево. Л. Наука. 1989. Раздел: Донные отложения (с. 18Ц24).
2. Экологические проблемы Верхней Волги. СПб.: Наука, 2001. Раздел: Грунты (с. 21Ц25).
3. Современное состояние экосистемы Шекснинского водохранилища. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2002. Раздел: Донные отложения (с. 45Ц51).
4. Экологическое состояние малых рек Верхнего Поволжья. М.: Наука, 2003. Раздел: Сток наносов рек бассейна Верхней Волги (с. 26Ц33, в соавторстве с А.В. Законновой).
5. Экологические проблемы малых рек Республики Татарстан. Казань: Изд-во УФэнФ, 2003. Раздел: Донные отложения (с. 93Ц113, в соавторстве с Д.В. Ивановым и В. В. Маланиным).
6. Состояние экосистемы высокопродуктивного оз. Неро в начале XXI века. М. Наука, 2007. Раздел: Характеристика донных отложений (в печати).
Статьи:
7. Зиминова Н.А., Законнов В.В., Курдин В.П. О ходе процесса осадконакопления в Иваньковском водохранилище // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1979, № 41. С. 65Ц68.
8. Законнов В.В. К методике механического анализа донных отложений // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1980, № 46. С.74Ц76.
9. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Накопление углерода, азота и фосфора в донных отложениях Иваньковского водохранилища // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1980а, № 45. С.50Ц53.
10. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях Угличского водохранилища // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1980б, № 48. С.57Ц63.
11. Законнов В.В. Распределение донных отложений в Рыбинском водохранилище // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1981б, № 51. С.68Ц72.
12. Законнов В.В. Содержание и распределение биогенных элементов в донных отложениях Иваньковского водохранилища // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1982а, № 53. С.58Ц64.
13. Законнов В.В. Биогенные элементы в донных отложениях Угличского водохранилища // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1982б, № 54. С. 66Ц69.
14. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Балансы биогенных элементов в Иваньковском водохранилище // Экологические исследования водоемов Волго-Балтийской и Северо-Двинской водных систем. Л.: Наука, 1982а.
С. 239Ц258.
15. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Балансы биогенных элементов в Угличском водохранилище // Гидробиологические характеристики водохранилищ волжского бассейна. Л.: Наука, 1982б. С. 109Ц121.
16. Законнов В.В., Зиминова Н.А. Осадконакопление и аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Гидрохимические исследования волжских водохранилищ. Рыбинск, 1982.
С. 68Ц81.
17. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях водохранилищ Верхней Волги // Гидрохимические исследования волжских водохранилищ. Рыбинск, 1982в. С. 62Ц67.
18. Законнов В.В., Зиминова Н.А. Осадконакопление в Горьковском водохранилище // Биология внутренних вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1984, № 63. С. 68Ц70.
19. Законнов В.В., Зиминова Н.А. Балансы биогенных элементов в водохранилищах Верхней Волги // Взаимодействие между водой и седиментами в озерах и водохранилищах. Л.: Наука, 1984. С. 114Ц122.
20. Зиминова Н.А., Законнов В.В. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях Горьковского водохранилища // Биол. внутрен. вод. Информ. бюл. Л.: Наука, 1988, № 77. С. 63Ц66.
21. Романенко В.И., Законнов В.В. Общее количество бактерий в донных отложениях Рыбинского водохранилища на частицах разного размера // Биол. внутрен. вод. Информ. бюл Л.: Наука, 1990, № 87. С. 9Ц13.
22. Законнов В.В. Осадконакопление и аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях Куйбышевского водохранилища
// Формирование и динамика полей гидрологических и гидрохимических характеристик во внутренних водоемах и их моделирование. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. С. 25Ц39.
23. Законнов В.В., Зиминова Н.А. Распределение и накопление донных отложений в водохранилищах Нижней Волги // Формирование и динамика полей гидрологических и гидрохимических характеристик во внутренних водоемах и их моделирование. СПб.: Гидрометеоиздат,1993. С. 40Ц46.
24. Законнов В.В. Аккумуляция биогенных элементов в донных отложениях водохранилищ Волги // Органическое вещество донных отложений верхневолжских водохранилищ. СПб.: Гидрометеоиздат,1993.
С. 3Ц16.
25. Поддубный С.А., Законнов В.В., Кудряков С.В., Бычкова М.Б. Оперативная оценка распределения мутности при подводной добыче нерудных строительных материалов // Энергетическое строительство. 1994, № 3. С.74Ц77.
26. Законнов В.В. Пространственно-временная неоднородность распределения и накопления донных отложений верхневолжских водохранилищ // Водные ресурсы. 1995. Т. 22, № 3. С. 362Ц371.
27. Гапеева М.В., Довбня И.В., Законнов В. В., Широкова М.А. Эмпирические связи между содержанием металлов в растениях и донных осадках эвтрофного озера Неро // Экология. 1995. № 3. С. 217Ц221.
28. Гапеева М.В, Законнов В.В, Гапеев В.А. Локализация и распределение тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ Верхней Волги // Водные ресурсы, 1997. Т.24. № 2. С. 174Ц180.
29. Законнов В.В., Иконников Л.Б., Законнова А.В. Формирование берегов и донных осадков Чебоксарского водохранилища // Водные ресурсы. 1999. Т. 26. № 4. С. 418Ц426.
30. Сигарева Л.С., Шарапова Н.А, Законнов В.В. Оценка экологического состояния оз. Плещеево по пигментным характеристикам донных отложений // Проблемы региональной экологии. 2000, № 6. С. 22Ц33.
31. Законнов В.В., Поддубный С.А. Изменение структуры донных отложений в Рыбинском водохранилище // Водные ресурсы. 2002. Т. 29. №2. С. 200Ц209.
32. Курашковский А.Ю, Курашковская Н..А, Клайн Б.И., Законнов В.В., Стратификация горизонтов в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Водные ресурсы. 2002. Т. 29. № 5. С. 552Ц555.
33. Герман А.В., Законнов В.В. Аккумуляция полихлорированных бифенилов в Шекснинском плесе Рыбинского водохранилища // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. № 5. С. 571Ц575.
34. Литвинов А.С., Баканов А. И., Законнов В.В., Кочеткова М.Ю. О связи разных показателей донных сообществ с некоторыми характеристиками среды их обитания // Водные ресурсы. 2004. Т. 31. № 5.
С. 611Ц618.
35. Сигарева Л.Е., Тимофеева Н.А., Законнов В.В. Особенности распределения растительных пигментов в донных отложениях Чебоксарского водохранилища // Гидробиологический журнал. 2004. Т. 40, № 5. С. 27Ц35.
36. Законнов В.В. Происхождение и трансформация грунтов водохранилищ Волги // Природно-ресурсные, экологические и социально-экономические проблемы окружающей среды в крупных речных бассейнах. М.: Медия-Пресс, 2005. С. 82Ц94.
37. Законнов В.В. Седиментация в водохранилищах Волжского каскада // Структурно-функциональное биоразнообразие и индикаторы состояния морских и пресноводных экосистем. Науковi записки Тернопiльського нацiонального педагогiчного унiверситету. Серiя бiологiя. Спецiальний випуск ФГiдроекологiяФ. 2005, № 3 (26). С. 163Ц165.
38. Баканов А. И., Законнов В.В., Литвинов А.С. Бентос Чебоксарского водохранилища. Влияние загрязнений и мониторинг грунтов // Биология внутренних вод. № 4. М. Наука, 2006. С. 91Ц99.
39. Законнов В.В. Иванов Д.В., Законнова А.В., Кочеткова М.Ю, Маланин В.П., Хайдаров А.А. Пространственно-временная трансформация донных отложений водохранилищ Средней Волги // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. № 3. С.1Ц9.
40. Законнов В.В., Законнова А.В. Географическая зональность осадконакопления в водохранилищах Волги // Известия РАН. Сер. географ. 2007. С. (в печати).
41. Ziminova N.A., Zakonnov V.V. Nutrient accumulation in the botton deposits of the Upper Volga reservoirs. International Association of Theoretical and Applied Limnologi. Vol. 21, Studgart, 1981. P. 975Ц978.
42. Zakonnov V. Spatial and temporal heterogeneity of Sediments in reservoirs of the Upper Volga // Symposium on Monitoring Waterpolution. Borok, 1994. P. 50.
43. Viktor V. Zakonnov. Sedymentacja w zbiornikach zaporowych kaskady Wolgi // Jeziora I Sztuczne wodne procesy przyrodnicze oraz znaczenie spoleczno-gospodarcze/ Lakes and water reservoirs natural processes and socio-ekonomic importance. Sosnowiec, 2005. S. 277Ц284.
44. Viktor V. Zakonnov. Hydromorfogiczne uwarunkowania sedymentacji w zbiornikach zaporowych Wolgi // Przeglad Geograficzny (Polish Geographical Review). 2007 (в печати).
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле