Формирование гидроэкологической структуры Иваньковского водохранилища в летний период в смежные годы c различными погодными условиями

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Водохранилища – это природно-техногенные водоемы, уровень воды в которых регулируется человеком. Водохранилища отличаются друг от друга по своему генезису, т. е. могут быть созданы в результате поднятия уровня естественных озер и сооружения плотин на реках или создания искусственного ложа (наливные). Водохранилища отличаются между собой как морфометрическими характеристиками (объем, площадь акватории, глубина, ширина, площадь мелководий, длина береговой линии), так и гидрологическим, термическим, гидрохимическим и гидробиологическим режимами, совокупность которых можно назвать гидроэкологическим режимом.

На формирование гидроэкологического режима и гидроэкологической структуры водохранилищ влияет комплекс природных и антропогенных факторов.

Под гидроэкологической структурой водохранилища авторы понимают совокупность взаимосвязанных абиотических и биотических компонентов. К первым относим воду и растворенные в ней химические вещества, минеральные взвеси и первичные грунты, слагающие ложе. Ко вторым – разнообразные организмы от бактерий до рыб и макрофитов (высших водных растений).

Гидроэкологическая структура водохранилищ чутко реагирует на внешние воздействия, такие как изменения внутрисезонных колебаний синоптических условий, уровенного режима, притока воды и, как следствие, имеет место изменение проточности водоема, что непосредственно влияет на гидрологическую структуру водной массы.

В водохранилищах постоянно происходят процессы как образования, так и разложения органического вещества с выделением в атмосферу такого важного парникового газа, как метан.

Гидроэкологическая структура водохранилищ сезонного регулирования волжского каскада, таких как Иваньковское, Угличское, Горьковское, Чебоксарское, летом формируется при стабильном уровне воды, поэтому существенную роль в этот период играют метеорологические условия и, прежде всего, температура воздуха, которые оказывают влияние на особенности формирования стратификации, температурного и кислородного режимов водоема, первичную продукцию и обменные процессы с донными отложениями [Гречушникова, 2012]. Между донными отложениями (ДО) и придонными слоями водной толщи постоянно протекают процессы массо- и газообмена как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от гидрологической обстановки в водоёме [Мартынова, 2010]. Связь изменений гидроэкологических характеристик под воздействием внешних условий достаточно хорошо изучена. В статье [Гречушникова, 2012] приводятся прогнозы вероятных изменений с учетом возможных климатических перемен на основе данных моделирования. Однако круг освещенных вопросов был ограничен исследованием гидрофизических показателей. Температура воды играет определяющую роль в длительности и интенсивности цветения фитопланктона, влияет на изменение концентраций биогенных веществ [Даценко, 2017]. Так, различные гидрометеорологические условия летом 1992 и 1993 гг. определили различия в химическом составе воды Иваньковского водохранилища [Григорьева, Ковалышева, 1995]. В частности, в более жаркое и менее влажное лето 1992 г. концентрации нитратов и фосфатов в воде Иваньковского водохранилища были меньше, чем в более дождливое и более прохладное лето 1993 г. Объем притока воды в водохранилище влияет на гидроэкологические характеристики водохранилища. Ранее проведенное исследование связи минерализации воды и показателей водного режима Иваньковского водохранилища выявило взаимосвязь между минерализацией и притоком воды за предшествующий месяц [Григорьева, 1996; Иваньковское, 2000].

Актуальным вопросом для водохранилищ питьевого назначения остается самоочищение. Тематика углеродной нейтральности ставит новые вызовы для изучения большего перечня показателей и процессов, в частности элементов круговорота углерода. Проведенные в первой половине августа 2020–2022 гг. комплексные съемки Иваньковского водохранилища включали расширенный набор исследуемых показателей, что позволило проанализировать их взаимосвязь.

Роль фитопланктона важна не только как первичного звена в трофической цепи. Это один из факторов биологического самоочищения водоемов. Наличие микроводорослей в экосистеме является основным источником растворенного кислорода и дополнительного ОВ (автохтонная органика), которое в свою очередь либо используется другими организмами, либо отмирает и накапливается в ДО и может приводить к вторичному загрязнению. Если высшую водную растительность можно выкашивать и утилизировать их биомассу после вегетации, то утилизация отмершего фитопланктона происходит в результате деструкции ОВ в толще воды и ДО. Преобладание деструкции над фотосинтезом (первичной продукцией) свидетельствует о высокой способности водоема к биологическому самоочищению [Одум, 1975].

Наличие в донных отложениях роющего макробентоса влияет на интенсивность процессов массообмена на границе “вода–ДО”, так как эти животные в процессе своей жизнедеятельности не только потребляют ОВ в пищу, но и, создавая сеть каналов, могут механически увеличить поверхность осадка в 1.5 раза (при плотности 600 особей на 1 м²)^, и способствуют проникновению О₂ вглубь осадка, что, в свою очередь, активирует процесс потребления кислорода грунтами [Гашкина, 2003], что положительно сказывается на самоочищающей способности водоема [Бентос, 1980]. Малощетинковые черви, являясь доминирующей группой в сообществах донных животных иловых биотопов, играют основную роль в процессе биологической утилизации и трансформации органического вещества донных отложений глубоководной зоны водохранилища. При наличии плотностной стратификации в водоеме в гиполимнионе могут формироваться аноксидные условия, приводящие к развитию анаэробных процессов в ДО и к активизации обмена биогенными элементами с водной массой [Мартынова, 2010], которые, в свою очередь, могут усиливать продукционную активность в придонных слоях воды.

Цель исследований – изучение влияния гидрометеорологических факторов на гидроэкологические характеристики (гидроэкологическую структуру) Иваньковского водохранилища в смежные годы в период летней межени.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Иваньковское водохранилище – крупный водоем сезонного регулирования, созданный в 1937 г. Объем водохранилища при НПУ (124 м абс.) составляет 1.12 км³, площадь водного зеркала 327 км². В соответствии с классификацией водохранилищ по размерам [Водохранилища, 1979] к крупным относятся водохранилища объемом 1–10 км^{3 и} площадью водного зеркала 100–500 км².

Иваньковское водохранилище является первой ступенью Волжско–Камского каскада водохранилищ и одним из основных источников водоснабжения г. Москвы. Это самое мелководное из крупных водохранилищ России – акватория глубиной менее 2 м составляет около половины от всей водной поверхности водоема при наполнении до НПУ (124 м) из-за обширного мелководного Шошинского плеса.

Водохранилище имеет среднегодовой коэффициент водообмена (Кв) 10.3 год^{-1 [}Иваньковское, 2000].

Подача воды в канал им. Москвы для водоснабжения Москвы в среднем за год составляет 1.7 км^{3 [}Иваньковское, 2000]. Вода водохранилища также используются для охлаждения систем Конаковской ГРЭС, что сказывается на тепловом режиме как Мошковичского залива, куда производится сброс теплых вод, так и самого водоема ниже по течению. Ещё водохранилище используется для судоходства и рекреации.

Иваньковское водохранилище относится к долинному типу и имеет довольно сложную конфигурацию. В нем выделены четыре плеса, морфологические особенности которых обусловливают их эколого-биологические различия [Никаноров, 1975]. Верхневолжский (Волжский) плес – от г. Тверь до устья Шошинского плеса – представляет собой узкий и проточный участок, Средневолжский плес простирается от места слияния Шошинского и Верхневолжского плесов до широкого разлива в районе устья р. Созь, Нижневолжский плес – от устья р. Созь до плотины Иваньковской ГЭС. В некоторых публикациях эти два плеса объединяют в Иваньковский плес. Шошинский плес представляет собой затопленную долину р. Шошы и является обособленной частью водоема.

Донные отложения в Иваньковском водохранилище представлены первичными трансформированными грунтами (почвы обнаженные, разбухшие, заболоченные) и вторичными грунтами: песок (13% дна водохранилища), песок илистый (26%), ил песчанистый (46%), ил торфянистый и отложения из макрофитов (14%). Содержание органического вещества в песках составляет 1.4–2.8%, в песках илистых – 3.5–9.8%, в илах песчанистых серых – 10.2–20%, а в илах торфянистых и в отложениях из макрофитов – 42–62% [Иваньковское, 2000]. По характеру залегания и закономерностям распределения донных отложений выделяются три разнотипных участка: Волжский, Иваньковский и Шошинский плесы, которые различаются морфометрическими характеристиками, режимами скорости течения, волнения (рис. 1). Илистые грунты занимают большие площади в Иваньковском и Шошинском плесах. В Волжском плесе (особенно в его верхней части) большая часть площади занята песчаными грунтами.

 

Рис. 1. Схема Иваньковского водохранилища со станциями отбора проб воды, донных отложений и измерений эмиссии метана. 1 – д. Городня, 2 – о-в Низовка, 3 – устье Шошинского плеса, 4 – д. Плоски, 5 – г. Конаково, 6 – устье Мошковического залива, 7 – урочище Корчева, 8 – верхний бъеф Иваньковской ГЭС (Дубна)

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Квазисинхронные гидролого–гидрохимические и гидробиологические съемки водохранилища были проведены 5–6 августа 2020 г., 4–5 августа 2021 г. и 4–5 августа 2022 г. Весь комплекс измерений и отбор проб производились на 5 станциях: 1 – с. Городня (Верхневолжский плес), 3 – устье Шошинского плеса, 5 – г. Конаково (Средневолжский плес), 7 – урочище Корчева и 8 – приплотинный участок в районе г. Дубна (Нижневолжский или Иваньковский плес); в створах: 2 – остров Низовка, 4 – д. Плоски, 6 – устье Мошковичского залива дополнительно производился отбор проб воды и проб на фитопланктон (рис. 1). В процессе съемок выполнялись измерения вертикального распределения температуры воды, растворенного кислорода, электропроводности (зонды YSI ProOdo и Pro30 c точностью 0.2°С^, 0.1 мг/л, 1 мкСм/см соответственно), прозрачность воды измерялась по диску Секки.

Отбор проб воды производился из поверхностного и придонного горизонта на фарватере и у поверхности у каждого из берегов по ГОСТ 3161–2012. Химический анализ отобранных проб воды был выполнен в аккредитованной химической лаборатории Иваньковской НИС Института водных проблем РАН по аттестованным методикам. В пробах воды определялись следующие показатели и ингредиенты: рН, мутность, главные ионы, минеральные соединения азота и фосфора, фосфор общий растворенный, железо общее, марганец, показатели органического вещества (цветность, перманганатная окисляемость, химическое потребление кислорода, БПК₅), нефтепродукты, СПАВ, микроэлементы (медь, цинк, хром, свинец), метан (СН₄). Пробы донных отложений отбирали на станциях в русловой ложбине дночерпателем Экмана–Бэрджа.

Содержание метана в отобранных пробах воды определялось на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором Хроматэк-Кристалл 5000.2. Определение концентрации метана в пробах воды производился методом “headspacе” [Bastviken et al., 2010]. На станциях проводилось измерение удельного потока метана в атмосферу методом “плавучих камер” [Bastviken et al., 2004]. По ходу движения судна отбирались пробы воды для определения интенсивности продукционно-деструкционных процессов скляночным методом в кислородной модификации [Винберг, 1960]. Светлая и темная склянки (колбы с притертыми крышками объемом 0.5 л) экспонировались на борту судна в течение 3–4 ч, измерение содержания кислорода производилось оксиметром ProODO непосредственно в склянке, величины валовой продукции и деструкции определялись в пересчете на 1 ч.

Работы включали эксперименты для определения потоков веществ на границе “вода–донные отложения (ДО)” методом трубок [Дзюбан, 2010; Sweerts et al., 1991; Elrod et al., 2004; Мартынова, 2010]. Пробы грунта отбирались дночерпателем Экмана–Берджа. В извлеченный керн вводилась стеклянная трубка диаметром 3.5 см и высотой 45 см для отбора образца. Трубка заливалась под пробку заранее отобранной на станции одновременно с пробой грунта водой с придонного горизонта. Этой же водой заливалась и “холостая” трубка без ила. Все трубки помещались в темные мешочки и ставились на экспозицию при температуре близкой к температуре придонной воды в момент отбора грунта. Затем вода из трубок сливалась сифоном и в ней определялись: содержание растворённого кислорода, метана, фосфора, и НСО₃^–. Потоки вещества с 1 м² площади дна за сутки определялись по разнице концентраций веществ в грунтовой и холостой трубке. Общая деструкция органического вещества в илах определялась по количеству НСО₃^–, выделяемого колонкой грунта за время экспозиции, а по величине поглощения кислорода колонкой грунта оценивалась аэробная деструкция органического вещества (ОВ) в ДО. Содержание ОВ в грунте оценивалось по потерям веса при прокаливании.

Во время съемок проводился отбор проб фитопланктона и зообентоса. Сбор материала и его камеральная обработка осуществлялась по методике [Методические, 1983]. Отбор проб фитопланктона производился опрокидывающимся батометром и погружным электрическим насосом из поверхностного (0–1 м) и придонного слоев воды, объем проб составлял 0.5 дм³. Фиксация водорослей осуществлялась модифицированным раствором Люголя, составной частью которого является формалин. Пробы фитопланктона концентрировались до 5 мл посредством вакуумной фильтрации через фильтры “Владипор” с диаметром пор 1 мкм. Учёт численности клеток проводился на световом микроскопе в камере Учинская-2 объемом 0.01 мл при увеличении 400 крат, оценка биомассы – счетно-объемным методом [Кузьмин, 1975]. Бентос отбирался дночерпателем Петерсена с площадью захвата 1/40 м², по 2 выемки грунта на каждой станции с дальнейшим промыванием через газ-сито № 23. Стандартные пробы зообентоса – на разрезах, охватывающих русловую и мелководную (до 3 м) зоны, пробы для изучения биотурбации – только на глубоководных участках в иловых биотопах. Моллюсков, в зоне их обитания на глубине 3–4 м [Денисов, Мейснер, 1961], отбирали при помощи драги. Лабораторную и камеральную обработку проб зообентоса проводили по общепринятой методике [Методические, 1983].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Гидрометеорологические условия в предшествующий период и в дни проведения съемок в июле и в августе 2020–2022 гг. были различными (табл. 1).

 

Таблица 1. Гидрометеорологические условия, определившие различие гидроэкологической структуры водохранилища летом 2020–2022 гг. и некоторые гидрохимические показатели

Характеристика	2020	2021	2022
Уровень воды 5 августа, м абс.	124.09	123.83	123.46
Приток воды в водохранилище за июль, млн м3	1315.8	242.3	291.95
Осадки за июль, мм (г. Тверь)	161	22	81
Максимальная дневная температура воздуха в период проведения съемки, °С	22	26.8	29.9
Фосфат-ион, мг/дм3	0.05–0.18	0.02–0.12	0.01–0.04
Минеральный азот, мг N/дм3	0.32–0.75	0.35–1.87	0.19–0.72
Цветность, град. Pt-Co шкалы	60–80	30–40	20–30
Перманганатная окисляемость, мг О/дм3	14.4–20.4	7.3–14.0	7.3–14.0
Железо общее, мг/дм3	0.09–0.42	0.02–0.11	0.02–0.11

Примечание: Приток воды за месяц рассчитывали как сумму ежедневных значений. Данные взяты с сайта gis.vodinfo.ru.

 

Самый низкий уровень воды (примерно на 0.5 м ниже НПУ) наблюдался в 2022 г. Наибольший приток воды, обусловленный дождевыми паводками, отмечен в июле 2020 г. Максимальная дневная температура воздуха в период проведения съемки была наиболее высокой в 2022 г. Различия гидрометеорологических условий в период, предшествовавший съемкам, обусловили особенности внутриводоемных процессов в исследуемые годы. Съемка в 2020 г. проводилась при относительно теплой антициклональной погоде, однако в предшествующий период времени была прохладная, ветреная погода и в водохранилище еще не сформировался устойчивый термоклин. При этом обильные осадки в июле привели к тому, что электропроводность воды в августе 2020 г. была наименьшей за все три исследуемых года, а насыщение придонных слоев воды кислородом, наоборот, наибольшим (до 4.8 мг/дм³ в створе Дубна, при 0.5 мг/дм³ в 2021 и 2022 гг.). Устойчивый антициклон в июле 2022 г. привел к прогреву водной массы водохранилища (температура придонного слоя воды у плотины достигала 21.2 °С) и формированию устойчивого слоя температурного скачка по всему водоему. В 2020 и 2021 гг. содержание растворенного кислорода снижалось до величин менее 2 мг/дм³ только в придонных горизонтах наиболее глубоководных станций, а в жарком 2022 г. зона с дефицитом кислорода достигала горизонтов 9–10 м (рис. 2–4).

 

Рис. 2. Электропроводность воды (Э25, мкСм/см) на русловых станциях от входного к замыкающему створу Иваньковского водохранилища в августе 2020–2022 гг. Станции: 1 – Городня, 3 – устье Шошинского плеса, 4 – Плоски, 5 – Конаково, 7 – Корчева, 8 – Дубна

 

Рис. 3. Температура воды (°С) на русловых станциях от входного к замыкающему створу Иваньковского водохранилища в августе 2020–2022 гг. Станции: 1 – Городня, 3 – устье Шошинского плеса, 4 – Плоски, 5 – Конаково, 7 – Корчева, 8 – Дубна

 

Рис. 4. Растворенный кислород (мг/л) на русловых станциях от входного к замыкающему створу Иваньковского водохранилища в августе 2020–2022 гг. Станции: 1 – Городня, 3 – устье Шошинского плеса, 4 – Плоски, 5 – Конаково, 7 – Корчева, 8 – Дубна

 

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

От величины водородного показателя зависит развитие и жизнедеятельность водных растений и гидробионтов, в свою очередь последние могут влиять на величину рН. Погодные условия во время трех полевых кампаний определили разные величины рН. Наибольшие значения наблюдались в более жаркий август 2022 г. и составили 8.4–9.2 ед. рН.

Фосфаты являются лимитирующим фактором развития фитопланктона. В соответствии с [Дебольский и др., 2009] для того, чтобы биомасса фитопланктона не превышала фоновых значений, концентрация фосфора в воде водохранилища не должна превышать 0.07 мг/дм³, а азота – 1.5 мг/дм³. Источником биогенных элементов в водоеме может быть, как их приток с водосбора, так и автохтонное поступление. Дефицит кислорода в придонных горизонтах приводит к высвобождению фосфатов и марганца из донных отложений и увеличению их концентраций в придонных горизонтах, по сравнению с поверхностными. А в результате перемешивания минеральные формы фосфора, попадая в фотическую зону, являются причиной вспышек цветения при благоприятных условиях (солнечная штилевая погода).

Исследования в августе 2020–2022 гг. показали, что в большинстве случаев концентрации фосфат-иона и минерального азота превышали указанные выше величины, что способствовало интенсивному развитию фитопланктона в водохранилище. Наименьшие концентрации фосфатов в большинстве случаев наблюдались в августе 2022 г. (табл. 1), когда численность и биомасса фитопланктона, как будет показано ниже, была наибольшей, что говорит о потреблении биогенных элементов во время активного продолжительного цветения.

Наибольшие величины цветности воды водохранилища отмечались в августе 2020 г. и были обусловлены притоком высоко цветной воды с водосбора в предшествующие измерениям дни. В наиболее жаркое лето 2022 г. с наименьшим притоком цветность воды наилучшим образом соответствовала требованиям качества воды для питьевого водоснабжения. Повышенный приток высоко цветных вод с водосбора в июле 2020 г. определил в начале августа более высокие, чем в два последующих года, величины перманганатной окисляемости (ПО), а также концентрации железа общего (табл. 1).

Максимальные концентрации марганца отмечались в августе 2022 г. в придонных горизонтах как входного, так и замыкающего створов и достигали 20–27 ПДК (рыбохозяйственного). В августе 2022 г. при значительном дефиците кислорода у дна увеличилась концентрация минерального фосфора. В прохладном августе 2020 г. наблюдались самые низкие (в диапазоне от 1.6 до 2.8 мг О₂/дм³) значения БПК₅, тогда как в августе 2021 и 2022 гг. они возрастали до 5.4 мг О₂/дм³.

ГИДРОБИОНТЫ

Различные гидрометеорологические условия трех последних лет сказались не только на гидрохимическом режиме, но и на развитии гидробионтов, в частности фитопланктона. В 2022 г. в составе альгофлоры Иваньковского водохранилища было обнаружено всего 194 вида и разновидности водорослей из 9-ти отделов, что более чем в два раза ниже таксономического разнообразия в 2020 и 2021 гг. Значительное снижение видового разнообразия наблюдалось во всех отделах водорослей, кроме сине-зеленых, которые практически полностью сохранили свой состав в альгофлоре планктона, и их доля в формировании разнообразия увеличилась почти в два раза. В августе 2022 г. были зарегистрированы самые высокие значения численности и биомассы фитопланктона за период исследований с 2010 г. Общая численность микроводорослей изменялась в поверхностном слое от 44.116 до максимальных 301.790 млн кл/л. (табл. 2).

 

Таблица 2. Общая численность (млн кл/л) и общая биомасса (мг/л) фитопланктона в поверхностном слое в Иваньковском водохранилище в августе 2020–2022 гг.

Годы	Станции отбора проб
	Городня	Безбородово	Плоски	Конаково	Корчева	ГЭС
Численность
2020	2.831	5.839	5.208	5.523	8.777	7.698
2021	15.178	49.381	38.998	31.342	65.218	23.592
2022	44.116	51.580	301.790	134.248	111.668	84.720
Биомасса
2020	1.081	3.098	1.633	1.793	3.709	3.737
2021	7.436	15.363	8.321	12.469	12.053	1.597
2022	14.305	13.155	65.891	22.042	24.278	18.766

 

Практически на всех станциях наблюдалось увеличение роли сине-зеленых водорослей в формировании общей численности в августе 2022 г. по сравнению с тем же периодом в 2020 и 2021 гг., что связано с малой водностью года и жаркой погодой летом. Основу биомассы в августе 2020 и 2021 гг. формировали диатомовые, зеленые и динофитовые водоросли, при этом на долю диатомовых приходилось от 30 до 90%. Общая биомасса фитопланктона в августе 2022 г. изменялась в поверхностном слое от 13.155 до 65.891 мг/л, что значительно выше аналогичных показателей в 2020 и 2021 гг.

Индекс биологического разнообразия Шеннона изменялся по акватории водохранилища в августе 2022 г. от 3.43 до 4.29, что значительно выше значений, полученных в 2020 и в 2021 гг. (0.99–3.43 в 2020 г. и 3.24–3.75 в 2021 г.).

По данным измерений активности продукционно-деструкционных процессов (табл. 3), только в жарком 2022 г. величина деструкции превышала величину продукции (П_вал – валовая продукция, П_чист – чистая продукция). Следовательно, гидроэкологические условия конкретного года обусловливают различную интенсивность самоочищения водоема.

 

Таблица 3. Характеристики продукционно-деструкционных процессов в районах Иваньковского водохранилища по данным съемок в августе 2020–2022 гг.

Станция	Дестр, мг О/л × ч			Пвал, мг О/л × ч			Пчист, мг О/л × ч
	2020	2021	2022	2020	2021	2022	2020	2021	2022
Городня	0.01	0.04	0.11	0.19	0.17	0.36	0.15	0.15	0.28
Шоша	0.05	0.13	0.44	0.19	0.63	0.27	0.26	0.53	0.07
Корчева	0.10	0.06	0.23	0.48	0.42	0.05	0.39	0.36	–0.04
Дубна	0.06	0.01	0.28	0.20	0.48	0.19	0.17	0.49	–0.19

 

Было установлено, что для участков глубоководной зоны характерны стабильный состав и структура донного сообщества, а именно – олигохетно-хирономидный комплекс с небольшим (3–5) числом видов. Песчаные и песчано-илистые биотопы мелководной зоны водоема (без учета зоны зарастания) отличались бóльшим видовым разнообразием донной фауны, особенно в группе хирономид (до 15 видов), а также массовым развитием моллюсков и “прочих” организмов (пиявки, личинки насекомых) [Определитель, 1977; Определитель, 2004]. За период исследования определено, что в глубоководных участках волжских плесов, а также в устьевой зоне Шошинского плеса в сообществе донных организмов по относительной доле в численности устойчиво доминировали олигохеты (81–98%). При этом уровень их развития не всегда соответствовал пригодным для жизни условиям среды. Например, в Нижневолжском и Средневолжском плесах в условиях гипо- и аноксии численность олигохет была достаточно высокой, а в Верхневолжском плесе (у д. Городня), при большем содержании кислорода, плотность червей на 1 м² была ниже, чем на других участках, что, очевидно, связано с дефицитом органических веществ на песчаных грунтах.

Наши наблюдения подтверждают результаты других исследований [Воробьев и др., 2009; Цветкова, 1972], в которых установлено, что содержание растворенного кислорода в придонной воде не является лимитирующим фактором в развитии олигохет. Плотность их популяций и пространственное расположение не зависят от его концентрации, что, вероятно, обусловлено вертикальным или горизонтальным перемещением червей, связанным как с особенностями их питания, так и с процессом их размножения [Попченко, Попченко, 2013]. При недостатке растворенного кислорода в воде иловых биотопов олигохеты реагируют более активными “дыхательными” движениями и увеличением части тела, участвующей в этих движениях, что способствует биологическому перемешиванию (биотурбации) субстрата. Результатом биотурбации является изменение структуры ДО и их метаболизма, перенос растворенного кислорода, метана, усиление активности бентических микроорганизмов. Также олигохеты занимают ведущую позицию в минерализации ОВ.

По результатам исследований была дана оценка вклада фильтрационной деятельности Dreissena polymorpha (Palas) в процессы самоочищения и снижения эвтрофирования водоема. Выполнен расчет общего объема воды, профильтрованного моллюсками, с использованием данных по средней численности моллюсков на единицу площади (1 м²), среднему весу одной особи (г), интенсивности фильтрации воды моллюском на единицу веса (мл/ч × г), фильтрационной активности моллюска (ч/сут), длительности активной фильтрации моллюсков (вегетационный период), площади мелководной зоны водохранилища с глубинами 3–4 м [Алимов, 1981; Набеева, 2010]. Объем воды, профильтрованный моллюсками, рассчитывался за вегетационный период (май–октябрь). Расчеты показали, что фильтрационная активность Dreissena polymorpha по значениям численности с единицы площади увеличилась в сутки с 272.251 л в 2020 г. до 332.442 л в 2022 г. За вегетационный период 2022 г. (май–октябрь) моллюски профильтровали 1.66 км³ воды, что соответствует 1.5 объема воды водохранилища (табл. 4).

 

Таблица 4. Расчет объемов воды, профильтрованной Dreissena polymorpha

Показатели	2020	2021	2022
Средний вес 1 особи, г	0.809 ± 0.007	0.804 ± 0.08	1.149 ± 0.10
Сред. численность, экз/м2	328	360	282
Vф.в. за сутки с 1 м2, л	272.3	297.0	332.0
Vф.в. за сезон с 1 м2, л	40021	43654	48869
Vф.в. за сутки с Sмелк.зоны, млн м3	9.26	10.1	11.3
Vф.в. за сезон с Sмелк.зоны, млн м3	1361	1484	1662
От объема водохранилища	1.2	1.3	1.5

 

Объем воды, профильтрованный дрейссеной за сезон 2022 г., превышающий таковые за предыдущие годы, можно объяснить значительной долей в популяции крупных моллюсков старшей возрастной группы (от 3-х лет и старше), обладающих более интенсивной фильтрационной активностью. Доля крупных моллюсков составила: 84% весной, более 50% летом, осенью соотношение взрослых моллюсков и годовиков, включая весеннюю генерацию, было приблизительно одинаково 48 и 52% соответственно. Существует мнение [Лазарева и др., 2018], что в последние годы во многих волжских водохранилищах наблюдается снижение численности дрейссенид, обусловленное плохой выживаемостью велигеров (планктонных личинок дрейссены), которая в свою очередь связана с дефицитом растворенного кислорода в придонных водах. Помимо благоприятного кислородного режима для успешного размножения и расселения дрейссены требуется относительно плотный субстрат. Поэтому на больших глубинах в зоне распространения иловых отложений она не встречается. Для массового развития дрейссены также необходима высокая минерализация и содержание кальция не менее 8.5 мг/дм^{3 [}Мартемьянов, 2013; Hincks, Mackie, 1997], а водные массы Иваньковского водохранилище имеют малую или среднюю минерализацию в зависимости от сезона с содержанием кальция порядка 30–50 мг/дм³.

Уровень рН является одним из наиболее важных факторов, влияющих на состояние D. polymorpha. Установлено, что рН менее 7.4 может ограничивать распространение дрейссены [Ludyanskiy et al., 1993]. В маловодные годы с небольшим притоком в водохранилище повышение минерализации может быть благоприятным для велигеров. В холодный период при отсутствии активного фотосинтеза рН может снижаться (по данным измерений авторов) до критической величины.

ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ, ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЭМИССИЯ МЕТАНА

Характеристики придонного слоя воды, верхнего слоя донных отложений и интенсивность обменных процессов на границе “вода–ДО”, полученные по результатам экспериментов на исследуемых станциях Иваньковского водохранилища, приведены в табл. 5 и 6.

 

Таблица 5. Характеристики придонного горизонта воды и верхнего слоя донных отложений Иваньковского водохранилища (ППВ – потребление О₂ придонной водой, d – гигроскопическая влажность грунта)

Год	Станция	Глубина, м	Тдно, °С	О2дно, мг/л	ППВ, мг О/м2 × сут	d, %	ОВ, %
2020	устье Шоши	10	19.9	5.25	310	4.5	10.9
	Плоски	–	–	–	–	–	–
	Конаково	13	18.7	1.96	237	7.4	15.5
	Корчева	14	18.9	1.12	62	6.3	14.5
	Дубна	16	19.7	4.84	124	6.9	14.3
2021	устье Шоши	9.5	21.5	3.5	360	5.5	12.3
	Плоски	–	–	–	–	–	–
	Конаково	13.5	21.5	2.9	557	7.2	15.9
	Корчева	14.4	21.9	2.5	1251	6.5	14.5
	Дубна	17	22	0.5	201	8	17.1
2022	устье Шоши	9.5	21.6	0.5	26	4.3	12.5
	Плоски	12	20.2	0.5	79	4.2
	Конаково	12	20.7	0.5	86	5.3	14.4
	Корчева	14.5	20.5	0.4	81	4.4	12.4
	Дубна	16.2	21.2	0.5	112	3.7	10.6

 

Таблица 6. Интенсивность обменных процессов на станциях Иваньковского водохранилища (SOD – потребление кислорода ДО; Д_аэр – аэробная деструкция; Д_анаэр – анаэробная деструкция; Д_общ – общая деструкция; Р_мин – минеральный фосфор)

Год	Станция	SOD	Даэр	Добщ	Данаэр	выход СН4	выход Рмин
		мг О/м2 × сут	мг С/м2 × сут				мг Р/м2 × сут
2020	устье Шоши	74	28	914	886	0.03	59
	Плоски	–	–	–	–	–	–
	Конаково	149	56	1599	1543	0.6	12
	Корчева	150	56	265	209	0.06	10
	Дубна	119	45	310	265	0.02	30
2021	устье Шоши	177	67	1432	1365	1.3	8
	Плоски	–	–	–	–	–	–
	Конаково	309	116	1574	1458	0.01	14
	Корчева	283	106	1631	1525	9	81
	Дубна	225	84	1968	1884	40	107
2022	устье Шоши	16	6	148	142	84	52
	Плоски	10	4	254	250	87	17
	Конаково	12	4	463	459	2	24
	Корчева	86	32	639	607	62	45
	Дубна	122	46	899	853	109	61

 

Продолжительный период существования в водохранилище устойчивой стратификации в 2022 г. привел к истощению в придонных слоях воды лабильного органического вещества, что способствовало снижению интенсивности деструкционных процессов как в придонных слоях воды, так и в верхнем слое ДО (табл. 6). Так, среднее значение потребления кислорода в придонной воде (ППВ) по длине всего водохранилища в 2022 г. составило 77 мг С/м² × сут, в то время как в 2020 и 2021 гг. – 183 и 592 мг С/м² × сут соответственно. Средняя величина общей деструкции ОВ в ДО в 2022 г. также была наименьшей (481 мг С/м² × сут), при 772 и 1651 мг С/м² × сут в 2020 и 2021 гг.

Различным был и характер распределения величин деструкции ОВ в ДО и придонном слое воды по длине водохранилища. В 2022 г. наблюдалось увеличение деструкции от верховьев к плотине. Этот же год отличается наименьшими величинами содержания ОВ в грунтах (12.5% в среднем по водоёму при 14–15% в 2020 и 2021 гг.). Величина аэробной деструкции ОВ в донных отложениях в приплотинном плёсе не превышала 15% от общей за все три года наблюдений.

Источником метана в водоёмах является ОВ, содержащиеся как в водной массе, так и в ДО. Интенсивность потока СН₄ определяется продукционно-деструкционными процессами, происходящими в водной толще, притоком ОВ с водосбора, активностью трансформации его в водоеме. Накопление ОВ в ДО происходит в результате осаждения содержащегося в водной толще ОВ аллохтонного и автохтонного происхождения. Поступление ОВ на дно и его преобразование зависит от скорости седиментации, гидрологической структуры всей водной толщи, от ее устойчивости к перемешиванию, от толщины и длительности существования гиполимниона [Кременецкая и др., 2018].

Величина потока метана из донных отложений зависит от величины и продолжительности существования аноксидной зоны и уровня воды, поэтому в жарком и маловодном 2022 г. выход метана из ДО был существенно выше, чем в другие годы исследований (в среднем 67 мг С/м² × сут при 0.71 и 12.8 мг С/м² × сут в 2020 и 2021 гг., соответственно).

Анализ изменения интенсивности анаэробной деструкции ОВ в ДО в зависимости от содержания ОВ в грунте (рис. 5) показал, что увеличение содержания ОВ в ДО Иваньковского водохранилища в аэробных условиях приводит к интенсификации анаэробной деструкции, кроме станций, где наблюдалась очень высокая (более 4000 экз м²) численность роющего зообентоса. На этих станциях отмечался также значительный (более 50%) вклад аэробной деструкции в суммарный выход углерода из ДО. На остальных станциях вклад Д_аэр в суммарную деструкцию ОВ не превышал 16%. Возможно, при такой высокой численности бентоса ассимиляция ОВ в ДО происходит, в основном, роющими организмами бентофауны, и снижается микробиальная деструкция ОВ в ДО.

 

Рис. 5. (а) – связь Д_анаэр ОВ в ДО в аэробных условиях с содержанием ОВ в ДО в Иваньковском вдхр. при численности роющего зообентоса N > 4000 экз/м² (1), при N < 4000 экз/м² (2) и в Можайском вдхр. при N < 4000 экз/м² (3); (б) – связь интенсивности Д_анаэр и численности роющего зообентоса в грунтах Иваньковского водохранилища в аэробных условиях

 

На график А рис. 5 были добавлены ранее полученные данные по интенсивности Д_анаэр Можайского водохранилища для пойменных станций (получены авторами работы) с похожими на исследованные на Иваньковском водохранилище грунтами при аэробных условиях. Численность роющего бентоса на этих станциях была менее 4000 экз/м². Эти точки дополняют зависимость Д_анаэр от ОВ при соответствующей численности бентоса. При аэробных условиях в придонном горизонте для грунтов Иваньковского водохранилища отмечается тенденция увеличения интенсивности анаэробной деструкции при увеличении численности роющего зообентоса (рис. 5, график Б).

Исследования показали, что наибольший выход фосфора из ДО наблюдался в 2021 г. в створах Корчева и Дубна и достигал 107 мг Р/м² × сут. Максимальные значения потока фосфора, измеренные в 2020 и 2022 гг., были почти в два раза ниже и не превышали 60 мг Р/м² × сут. В 2020 г. это было связано с менее активными процессами деструкции при более низкой температуре и более благоприятных кислородных условиях, а в 2022 г. из-за истощения в придонных слоях воды лабильного ОВ ко дню проведения съемки, как отмечалось выше.

Совместный анализ интенсивности суммарной деструкции в ДО (Д_сумм = Д_аэр + Д_анаэр + выход СН₄), выхода Р и численности роющего зообентоса на станциях Иваньковского водохранилища (рис. 6), показал, что при численности бентоса менее 1300 экз/м^{2 д}аже при высокой интенсивности деструкции ОВ в ДО, выход Р_мин в аэробных условиях не превышал 14 мг/м² × сут. При высокой (более 1300 экз/м^{2 ×} сут) численности роющего бентоса увеличение деструкции ОВ в илах сопровождается ростом потока Р_мин из ДО. Это связано с роющей деятельностью бентоса, способствующей, в том числе, выносу поровых вод донных отложений к границе раздела “вода–ДО”. Привлечение ранее полученных на Можайском водохранилище данных не противоречит полученным связям.

 

Рис. 6. Связь выхода Р_мин с Д_сумм при численности роющего зообентоса N > 1300 экз/м² и N < 1300 экз/м² в илах в Иваньковского (1, 2) и Можайского (3, 4) водохранилищ

 

Эмиссия метана с поверхности водохранилища в рассмотренные три года также значительно различалась. В жарком 2022 г. при более низком уровне воды содержание метана в придонных горизонтах было на порядок больше, чем в 2020 и в 2021 гг. (табл. 7).

 

Таблица 7. Содержание и эмиссия метана с поверхности Иваньковского водохранилища в 2020–2022 гг.

Станция	Горизонт	СН4, мкл/л			Удельный поток СН4, мг С/(м2 × сут)
		2020	2021	2022	2020	2021	2022
Городня	пов.	16.6	4.7	13.5	63.4	10.5	23.4
	дно	16.8	4.6	72.6
Шошинский плес	пов.	8.7	10.8	12.3	14.4	334.0	182.2
	дно	12.6	17.2	435.0
Конаково	пов.	1.9	9.9	11.2	9.4	31.9	13.8
	дно	7.7	16.0	444.0
Корчева	пов.	3.0	7.8	11.3	9.6	223.8	23.0
	дно	13.3	68.5	517.8
Дубна	пов.	4.1	14.1	2.3	2.9	68.9	2.1

 

Это могло быть связано не только с наибольшим прогревом ДО, но и с активизацией биотурбации, которая подробно рассмотрена выше. Однако бурное развитие фитопланктона и высокое содержание кислорода в поверхностном слое (до 11.3–17.6 мг/дм³ в 2022 г. против 9–10.7 мг/дм³ в 2021 г.) привело к окислению метана, что в результате снизило значения его удельного потока, особенно в нижней глубоководной части водохранилища. Шошинский плес является наиболее неблагополучным районом в отношении эмиссии метана из-за его мелководности, малой проточности и сильного цветения.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили выявить ряд особенностей формирования гидроэкологического режима и гидрологической структуры Иваньковского водохранилища. Несмотря на сравнительно большую проточность Иваньковского водохранилища, продолжительная жаркая погода, особенно в маловодный год, способствовала образованию дефицита кислорода в придонных слоях и выходу марганца и фосфатов из донных отложений. Поступление автохтонных биогенных элементов в толщу воды усилило вспышки цветения.

В жаркий август 2022 г. доминирующими видами в составе фитопланктона на большей части водоема от ст. Плоски до ст. Дубна были сине-зеленые водоросли, тогда как в предшествующие годы – диатомовые. Активное развитие фитопланктона было причиной уменьшения концентрации фосфатов, увеличению значений БПК₅ и рН воды. В маловодный 2022 г. отмечены низкие значения цветности воды, что весьма благоприятно для задач питьевого водоснабжения.

Потребление кислорода в придонных горизонтах усугубляется вспышками цветения фитопланктона, его отмиранием и седиментацией. Разлагающееся органическое вещество является источником метана. Бескислородные условия способствуют активизации биотурбации, что увеличивает интенсивность выхода веществ, в том числе метана из донных отложений. Однако перенасыщение кислородом поверхностных горизонтов при избыточном цветении сокращает эмиссию метана, что является элементом саморегуляции экосистемы.

Гидроэкологические условия конкретного года обусловливают различную интенсивность самоочищения водоема. Жаркая погода способствует более активной деструкции, превышающей продукцию, при более высоких значениях температуры воды. Дефицит кислорода в придонном слое активизирует биотурбацию и усиливает потребление кислорода грунтами, что положительно сказывается на самоочищающей способности водоема.

Значимым фактором в изменении интенсивности обменных процессов на границе “вода–дно” является численность роющего макробентоса.

Шошинский плес является наиболее неблагополучным районом Иваньковского водохранилища в отношении эмиссии метана из-за его мелководности, малой проточности и сильного цветения.

Полученные результаты представляются важными для разработки и верификации гидроэкологических моделей водоемов. Параметры обменных процессов с дном не являются константами и в значительной степени зависят от характеристик придонной воды и гидробионтов. Колебания численности бентоса чрезвычайно трудно прогнозировать из-за многофакторности. На нее оказывают влияние синоптические условия, уровенный и кислородный режим, а также выедание бентосоядными рыбами. Вспышки “цветения” воды могут существенно сокращать величину удельного потока метана, что необходимо отражать при моделировании этого процесса и учитывать при расчетах вклада водоемов в суммарную эмиссию.

Несмотря на очевидную взаимосвязь всех рассмотренных процессов, основным триггером их изменчивости в летний период являются особенности погодных условий, определяющие режим и состав притока, и гидрофизические характеристики, которые в свою очередь определяют интенсивность и особенности внутриводоемных процессов. Согласно работе [Экологические, 2001] период водообмена в среднем составляет 1.13 мес., а в маловодную фазу до 1.4 мес., поэтому характеристики притока воды в половодье практически не влияют на состояние водоема во вторую половину лета.

Об авторах

М. Г. Гречушникова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт водных проблем РАН; Иваньковская научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: allavis@mail.ru
Россия, Москва; Москва; Конаково; Москва

И. Л. Григорьева

Иваньковская научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Конаково

Д. В. Ломова

Институт водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Москва

Е. Р. Кременецкая

Институт водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Москва

А. Б. Комиссаров

Иваньковская научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Конаково

Л. П. Федорова

Иваньковская научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Конаково

В. А. Ломов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Москва; Москва

Е. А. Чекмарева

Иваньковская научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН

Email: allavis@mail.ru
Россия, Конаково

Список литературы

Дополнительные файлы