Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географические особенности водохранилищ Волги 11
1.1. Природные условия Волжско-Камского водосборного бассейна 11
1.2. Водохранилища Волги и их социально-экологические проблемы 17
1.3. Гидроморфометрические и морфологические особенности 21
1.4. Режим эксплуатации, колебания уровня воды и ветро волновые явления 34
1.5. Водные балансы, водообмен и течения 40
1.6. Ледово-термический режим 47
1.7. Гидрохимическая характеристика 52
Глава 2. История исследования, использованный материал и методики 59
2.1. Краткий обзор исследований осадконакопления и аккумуляции органического вещества и биогенных элементов в водоемах замедленного водообмена 59
2.2. Материалы -грунтовых съемок и методика их проведения 66
2.3. Районирование водохранилищ по условиям осадкообразования, расчет площадей, объемов и темпов седиментации 73
2.4. Методическая основа составления тематических карт 77
2.5. Методы определения гидрофизических характеристик, биогенных элементов, тяжелых металлов, других поллютантов в осадках и расчет их запасов 82
2.6. Методика составления балансов взвешенных веществ и биогенных элементов 92
2.7. Оценка погрешностей анализов и методов расчета 96
Глава 3. Происхождение и формирование грунтового комплекса водохранилищ 99
3.1. Происхождение и классификация грунтов 100
3.2. Основные источники осадкообразующего материала 112
3.2.1. Эрозионно-абразионные процессы 112
3.2.2. Приток речных наносов 126
3.2.3. Продуцирование гидробионтов 134
3.3. Пространственное распределение взвесей 137
3.4. Сток взвешенных веществ в каскаде водохранилищ 148
3.5. Гидроэкологические аспекты осадкообразования 155
Глава 4. Пространственно-временные закономерности распределения и накопления донных осадков 166
4.1. Грунтовый комплекс водохранилищ Верхней Волги 166
4.2. Грунтовый комплекс водохранилищ Средней Волги 192
4.3. Грунтовый комплекс водохранилищ Нижней Волги 201
4.4. Закономерности осадкообразования в водохранилищах Волги 210
4.5. Географическая зональность осадкообразования 221
4.6. Балансы взвешенных веществ и их трансформация 231
4.7. Пути формирования грунтового комплекса 240
Глава 5. Состав и свойства донных отложений 246
5.1. Минералогический и гранулометрический состав 246
5.2. Гидрофизические и химические свойства 251
5.3. Содержание, распределение и накопление биогенных элементов 256
5.4. Закономерности формирования химического состава в кернах и по гранулометрическим фракциям 264
5.5. Локализация и распределение тяжелых металлов 268
5.6. Донные отложения - основные накопители органических токсикантов 275
5.7. Анализ внутриструктурных корреляций по физико-химическим и петромагнитным показателям 284
Глава 6. Роль донных осадков в водных экосистемах 293
6.1. Балансы биогенных элементов 293
6.2. Оценка роли основных статей балансов биогенных элементов 299
6.3. Аккумуляция биогенных элементов и лимнологические параметры водоемов 303
6.4. Бентос и его связь с характеристиками среды обитания 310
6.5. Трансформация грунтов и сукцессии макрофитов в литоральной зоне 321
6.6. Растительные пигменты в осадках 328
6.7. Качество воды и восстановление пресноводных экосистем 336
Заключение 345
Список литературы 347
- Режим эксплуатации, колебания уровня воды и ветро волновые явления
- Эрозионно-абразионные процессы
- Содержание, распределение и накопление биогенных элементов
- Качество воды и восстановление пресноводных экосистем
Введение к работе
Актуальность проблемы. В мире насчитывается более 45 тыс. 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;
– оценить роль гидродинамических и геоморфологических процессов в формировании ложа водоемов;
– установить закономерности современных процессов осадкообразования в водоемах замедленного водообмена с гидроэкологических позиций;
– выявить географические закономерности пространственно-временной трансформации распределения и накопления донных отложений;
– рассчитать запасы и скорость накопления органического вещества, биогенных элементов, вредных поллютантов в донных отложениях;
– составить балансы взвешенных наносов и биогенных элементов, наиболее корректно (количественно) характеризующие внутриводоемный круговорот вещества и энергии;
– унифицировать в соответствии с новыми данными и представлениями схему происхождения и формирования грунтового комплекса равнинных водохранилищ;
– уточнить классификацию донных отложений;
– 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 “Analusette-3” с насадкой прецизионных микросит до 5 микрон, фирмы “Alfred Fritsch” (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 “Волга”, способной обеспечить комплексный анализ гидроэкологических процессов в каскаде водохранилищ, выполнен первый этап работы. Создана информационная система ”Верхняя Волга” (Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское) на базе интеллектуального ресурса ИБВВ РАН.
К настоящему времени зарегистрированы:
– тематические карты Рыбинского водохранилища (М 1: 200 000), в том числе по илонакоплению и типам донных осадков, № 02200409989;
– объектно-ориентированные специальные карты “Гидроэкология Угличского, Иваньковского, Горьковского и Уводьского водохранилищ” (№№ 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 “Возрождение Волги”, 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.
Личный 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, 1983–2007 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 “вода – донные осадки” (Ереван, 1987); “Влияние водохранилищ на водно-земельные ресурсы” (Пермь, 1987); XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987); всесоюзных конференциях “Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей” (Москва, 1989,1994); международных конференциях “Экологические проблемы бассейнов крупных рек”(Тольятти, 1989, 2003); Symposium on Monitoring of Water pollution, (Borok, 1994); “Великие реки”, (Нижний Новгород, 2000); “Актуальные проблемы экологии Ярославской области” (Ярославль, 2002, 2005); “Современные проблемы водной токсикологии” (Борок, 2002); I Всероссийской конференции “Актуальные проблемы водохранилищ” (Борок, 2002); международных конференциях: “Экологические проблемы северных регионов и пути их решения”(Апатиты, 2004); “Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем” (Астрахань, 2004); “Пищевые ресурсы дикой природы и экологическая безопасность населения” (Киров, 2004); выездной сессии Объединенного научного совета по фундаментальным географическим проблемам при МААН “Природно-ресурсные экологические и социально-экологические проблемы окружающей среды в крупных речных бассейнах” (Борок, 2004); региональной конференции “Памяти Ю.М. Матарзина” (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,
Режим эксплуатации, колебания уровня воды и ветро волновые явления
Эксплуатация водохранилищ и регулирование ими водного стока оказывают существенное влияние, как на отрасли народного хозяйства, так и на функционирование пресноводных экосистем. Степень этого влияния в значительной мере зависит от режима эксплуатации водохранилищ, без учета которого невозможно осуществить научно-обоснованные проекты по управлению, реконструкции и восстановлению техногенных водоемов. Решение этих задач в комплексе - залог устойчивого развития экосистемы водохранилищ с оптимальным эколого-экономическим эффектом.
Режим эксплуатации водохранилищ - важнейший механизм воздействия на водные ресурсы зарегулированной реки и ее природу. В результате многокомплексного использования водохранилищ существенным образом изменился ход естественных процессов, обусловленный характерным для рек восточно-европейского типа - максимальным объемом стока в весенний период (март-апрель-май) на более-менее рациональное использование водных ресурсов в течение года (сезона), недели, суток.
В первую очередь это затрагивает интересы энергетики, водного транспорта, рыбного хозяйства и водоснабжения. Интересы энергетики заключаются в максимальном использовании водных ресурсов для выработки дешевой электроэнергии. Водный транспорт заинтересован в соблюдении навигационных глубин по фарватерам, рыбное хозяйство и водоснабжение в недопущении обсыхания нерестилищ и водозаборных сооружений. Согласовать круг интересов с минимальными ущербами для различных отраслей помогают графики суточного, недельного и годового регулирования стока, построенные с учетом прогнозов запасов воды в снеге и емкостных объемов водохранилищ. Строительство двух крупнейших водохранилищ на Волге (Рыбинского и Куйбышевского) как раз и объяснялось их регулирующими функциями для каскада в целом по поддержанию уровней воды, близких к НПУ в навигационный период.
Это в конечном итоге отразилось на ходе гидрологических (расходы воды, уровни, течения), геоморфологических (разрушение берегов, ложа, затопляемость поймы) и седиментологических (скорость осаждения наносов, распределение донных осадков) процессов.
Водохранилища многолетнего регулирования стока (Рыбинское) обеспечивают все виды регулирования - многолетнее (годовое), недельное и суточное. Водохранилища сезонного регулирования - сезонное, недельное и суточное. Для обеспечения многолетнего регулирования обычно достаточен полезный объем водохранилищ в 20-50% годового стока, для сезонного регулирования - в 8-20%.
К водохранилищам внутригодового регулирования стока относятся: Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Куйбышевское, а недельного и суточного - Чебоксарское, Саратовское, Волгоградское (Авакян, Шарапов, 1977).
Управление режимом работы гидроузлов играет важную роль в обеспечении функционирования водохозяйственного комплекса. Мероприятия по эксплуатации ГЭС представляют собой процедуру принятия решений по установлению режимов сбросных расходов и поддержание уровней воды в верхних и нижних бьефах. С учетом интересов различных категорий водопользователей установленный режим носит комплексный характер. Потребности отдельных водопользователей должны быть увязаны еще на стадии проектирования, а после ввода в эксплуатацию они закрепляются в диспетчерских "Правилах" использования водных ресурсов, утверждаемых для каждого водохранилища или их каскадов.
Колебания водной поверхности водохранилищ являются важнейшей абиотической характеристикой водоема, которая в сочетании с регулированием гидроузлами внешнего водообмена и структуры водного баланса, влияют на гидродинамические и гидробиологические процессы и в целом на функционирование водной экосистемы.
С учетом водохозяйственных потребностей выработаны оптимальные условия режима эксплуатации, которые могут быть скорректированы и для чрезвычайных ситуаций.
Для водохранилищ России характерен однотактный режим работы с опорожнением полезного объема один раз в течение водохозяйственного года, который начинается, весной и заканчивается предвесенней подготовкой полезного объема к аккумуляции очередного половодья (Эделынтейн, 1998). Каждый такт состоит из нескольких фаз водного режима (обычно продолжительностью несколько суток) - фазы наполнения, сработки и равновесия.
Режим уровней. С учетом функциональной роли водохранилищ - как накопителей воды К.К. Эделынтейн (1998) в основу типизации колебаний уровня положил деление водного режима на типы по числу фаз в годовом цикле, подтипы - по характеру чередования фаз, а разновидности подтипов -по времени наступления экстремальных значений уровня воды. На первом этапе обобщения им было выделено пять основных типов уровенного режима для пришютинных районов.
I - однофазный тип режима представлен в течение всего года фазой равновесия, т. е. с небольшими колебаниями среднесуточного уровня близких к НПУ. Он характерен для Чебоксарского и Саратовского долинных водохранилищ руслового подкласса с высоким коэффициентом водообмена.
II - двухфазный тип режима - с фазами наполнения и сработки. Этот тип присущ крупным водохранилищам глубокого сезонного и многолетнего регулирования в годы с летне-осенней меженью. К таким водохранилищам относятся Рыбинское и Куйбышевское.
III- трехфазный тип режима представлен в водохранилищах Волги тремя подтипами. Ша - фаза наполнения сменяется фазой медленной сработки в навигационный период и фазой ускоренной сработки зимой. Она характерна для Иваньковского, Угличского и Рыбинского водохранилищ и является переходной от двухфазного к более распространенному подтипу (Шб).
Шб - когда наполнение сменяется фазой равновесия при НПУ в течение всей навигации. Примером служит Горьковское и в некоторые годы Иваньковское и Рыбинское водохранилища.
Шв - наполнение сменяется фазой сброса, но она заканчивается раньше, чем наступит половодье следующего года и поэтому в предвесенний период имеется фаза равновесия вблизи уровня наибольшей проектной сработки (УПС). Этот тип наблюдался в отдельные годы на Иваньковском, а также на Куйбышевском водохранилище в 1957 и 1965 гг.
IV - четырехфазный тип режима уровня в водохранилищах Волжского
каскада представлен одним подтипом.
IVa - интенсивное наполнение сменяется фазой частичного опорожнения с последующей второй фазой накопления и окончательной зимней сработки. Такой режим типичен для водохранилищ многолетнего и глубокого сезонного регулирования стока в годы с высоким летним и осенним паводковым притоком. Он характерен для Рыбинского и Куйбышевского водохранилищ в годы с большим сбросом воды в середине половодья с целью рыбохозяйственного попуска в дельту Волги.
V - полифазный тип уровенного режима с числом фаз 5-9, когда чередующиеся несколько непродолжительных циклов частичной сработки и наполнения водохранилища до НПУ сменяются фазами продолжительного равновесия и предвесенней сработки до УПС. Это редкий для водохранилищ России тип режима колебаний уровня обычен на Волгоградском водохранилище в связи с поступлением из него воды для двух-трехкратного обводнения волжской дельты в сроки нереста различных видов рыб. О размахе внутригодовых колебаний уровня воды в водохранилищах можно судить по среднесуточным значениям четырех характерных уровней в приплотинных районах: наивысшего за время существования водохранилища (ММ), наинизшего из макимальных в течение годового цикла (М), наивысшего из минимальных за год (т) и наинизшего за весь многолетний период (mm). Тогда разность высотных отметок А = ММ - mm и есть размах колебаний уровня воды за период эксплуатации водохранилища при проектной высоте призмы сработки Ап = НПУ-УПС.
Данные таблицы 5 показывают, что на всех водохранилищах Волги размах колебаний уровня воды превосходит проектную его величину от 0.1 м в Куйбышевском до 2.4 м в Иваньковском.
Эрозионно-абразионные процессы
Формирование ложа и берегов водохранилищ волжского каскада определяется их гидрологическим режимом, в том числе и уровенным. Уровенный режим водохранилищ Волги сложный и зависит как от водности года, так и от множества эксплуатационных вариантов, выражающихся в работе ГЭС, а также в решении водохозяйственных проблем каскада (навигация, ирригация, рыболовство). Такой совмещенный режим отразился на развитии экзогенных процессов по переработке берегов, особенно абразионно-аккумулятивных, и ложа, а также в подтоплении территории. Первые годы заполнения водохранилищ до проектных отметок -определяющие в развитии процессов становления берегов и подводного рельефа. Если водохранилище наполняется до НПУ за короткий период времени, то эти процессы происходят не столь болезненно для формирующейся экосистемы водоема. Сложнее ситуация, когда заполнение водохранилища растягивается на десятилетия, с поэтапным повышением уровня воды или значительными сезонными и межгодовыми колебаниями. К первым водохранилищам относятся Рыбинское (период наполнения с 1941 по 1947 гг.) и Чебоксарское (до сих пор не заполнено до 65 м БС). Ко вторым -Куйбышевское (до 7.6 м), Угличское (до 7.4 м), Иваньковское (до 6.9 м), Рыбинское (до 6.3 м), Волгоградское (до 3.6 м), Горьковское (до 3.0 м) и Чебоксарское с Саратовским (до 0.5 м) (Эдельштейн, 1998).
Водохранилища испытывают значительное разнообразие ветрового волнения на отдельных озеровидных и приплотинных участках, а в зонах переменного подпора решающее значение имеют стоковые течения.
Форма, величина и геолого-литологическое строение береговых склонов - это второй комплекс условий, существенно влияющих на характер и темпы деформации берегов и процессы седиментации. Как правило, левобережье водохранилищ Волги представляет собой уступ поймы или первой надпойменной террасы, сложенной преимущественно песчаными, рыхлыми породами. Частично такие же берега и на правобережье. Но чаще всего здесь к урезу подходят коренные склоны волжской долины, сложенные довольно прочными глинисто-мергелистыми породами и песчаниками. Эти склоны высокие и крутые, предрасположены к оползанию и имеют большей частью оползневый облик. Наиболее прочные при размыве песчаники, менее - алевролиты и аргиллиты (глины) и аллювиальные пески. Особенно резкий размыв происходит в породах водопроницаемых и морозонеустойчивых (Зубаренкова, 1974).
Проявление этих процессов на водохранилищах Волги неодинаково, а следовательно, они приводят к различным количественным показателям, которые могут быть в той или иной степени учтены, как прямыми определениями, так и балансовыми расчетами.
В равнинных водохранилищах за счет размыва берегов и дна поступает основное количество осадкообразующего материала (Вендров, 1958, 1960; Широков, 1963, 1968, 1969; Матарзин и др., 1981). Разрушаемые берега в водохранилищах Верхней Волги составляют 32-56% всей длины береговой линии (табл.17), однако в расчетах принимались во внимание только абразионные, доля которых 15-35%. Изучением берегов, формируемых русловыми процессами в нижних бьефах гидроузлов, в зоне выклинивания и переменного подпора занимались многие исследователи (Алтунин, 1960; Гвалесиани, Шмальцель, 1968; Хаилилов, 1969; Маккавеев, 1972; Широков, 1974; Минервина и др., 1974; Овчинников и др., 1999). В водохранилищах Волги количественной оценки они не получили.
Таким образом, идет постоянный недоучет этого важнейшего источника осадкообразующего материала, отсюда несовпадение реальных темпов разрушения берегов с прогнозными. При соблюдении единых методик и подходов в изучении источников поступления осадкообразующего материала и его распределении и накоплении в водохранилищах Верхней Волги, удалось избежать грубых ошибок в расчетах (Буторин, Зиминова, Курдин, 1975).
Берега Иваньковского водохранилища менее всего подвержены абразии, их протяженность была 25 км, что составляло 3% от общей длины береговой линии и приурочены к русловым участкам Средне- и Верхневолжского плесов (Буторин и др., 1975). Из-за небольших размеров волнения переработка их идет слабо (Гидрометеорологический режим... , 1975). В большинстве случаев берега развиваются по аккумулятивному или нейтральному типу, чему способствует мелководность водохранилища и зарастаемость высшей водной растительностью. В озеровидных -Шошинском и Иваньковском плесах размывающее действие волнения распространяется до глубин 2.7 и 4.0 м от НПУ, занимающих 50% площади дна. Зарастание части мелководий растительностью снижает интенсивность донной абразии и уменьшает размеры площади, подверженной размыву (Казмирук и др., 2005). При усилении ветро-волновой активности до 15-20 м/с эти участки служат источниками автохтонных взвесей. Доказательством этого являются эпизодические повышения мутности воды в нижнем бьефе Иваньковского гидроузла по сравнению с величинами, наблюдающимися на входных створах водохранилища (Зиминова, Курдин, 1970). Это позволяет считать, что в водоеме размыв дна является преобладающей формой абразионной деятельности. Не исключено, что здесь прослеживается связь с увеличением длины абразионных берегов с 25 до 154 км. Однако никаких количественных показателей этих процессов в публикациях не приводится.
По балансовым расчетам, суммарное поступление осадкообразующего материала за счет абразии берегов и ложа за 1937-1968 гг. составило 450 тыс. т год"1 (Буторин и др., 1975). По нашим расчетам (Законнов, 1983), среднегодовое поступление взвесей за период 1937-1976 гг. практически не изменилось - 495 тыс. т год"1. Данные о ходе процесса осадкообразования в Иваньковском водохранилище за 1937-1990 гг. также подтверждают это -467 тыс. т год"1 (Законнов, 1995).
Исходя из морфологических и морфометрических особенностей Угличского водохранилища, основной поставщик автохтонных взвесей в водоем - береговая абразия.
Протяженность абразионных берегов Угличского водохранилища по данным Рыбинской ГМО равна 86 км или 13% (Буторин и др., 1975), а по (Гидрометеорологический режим... , 1975) - 132 км или 15% от общей длины береговой линии. Для процесса абразии характерна тенденция уменьшения ее интенсивности во времени. Так, на контрольных участках в д. Красное и д. Васисино за 1940-1951 гг. среднегодовой объем обрушенного грунта 4 м на 1 погонный метр берега, а в последующем десятилетии (1952-1961 гг.) он составил 2.6 м3, в 1962 г. - 2.9, в 1963 г. - 1.6 м3, а в 1964 г. абразия не наблюдалась (Буторин и др., 1975). В пересчете на весовые единицы для всех абразионных берегов за период 1940-1968 гг. среднегодовая величина составила 370 тыс. т год"1 (Буторин и др., 1975), за период 1968-1977 гг. -340 тыс. т год"1 (Законнов, 1993), а за 1940-1991 гг. как средняя за многолетний период - 354 тыс. тыс. т год" .
В Рыбинском водохранилище начало интенсивного переформирования берегов относится к 1947 г., когда впервые был достигнут нормальный подпорный уровень. Абразионные берега в основном расположены в речных плесах. По данным B.C. Иванова (1965), их длина в 1961 г. составляла 152 км (9%). Средний объем береговых переформирований, по Н.В. Буторину и др., (1975), на 1 пог. м берега равен 190 м3. Общее поступление материала из этого источника равно 28.9 106 м3 или около 46000 тыс. т (при средней пористости 40% и удельном весе 2.7 т/м3) за 1941-1965 гг. или 1840 тыс. т год"1.
По А.Д. Колбутову (1975), интенсивность переработки берегов на ряде длительно существующих водохранилищах не уменьшается, а последствия этого геоморфологического процесса нередко приобретают геологические масштабы. Анализ состояния абразионных берегов Рыбинского, днепровских и камских водохранилищ подтверждает выводы И.А. Печеркина (1971) и И. К. Акимова (1972), что берега будут размываться длительное время и с такой же скоростью.
Содержание, распределение и накопление биогенных элементов
Особый интерес в изучении биотического круговорота представляет задача определения содержания, распределения и накопления биогенных элементов в донных отложениях. Расчет интенсивности аккумуляции БЭ в ДО определялся за период эксплуатации водохранилищ (от 18 до 40 лет). За это время водоемы замедленного водообмена накопили большое количество вторичных грунтов, поступивших за счет абразии берегов, размыва дна, твердого стока питающих их рек, отмерших организмов фитопланктона и высшей водной растительности. Каждый из этих источников приносил и БЭ, которые в значительной мере аккумулировались в ДО (от 2 до 74%), а их доля в приходной части балансов может составлять от 1 до 87% (Зиминова, Законнов, 1982а, б; Законное, 1983). Содержание и распределение БЭ в ДО зависит не только от интенсивности их поступления в водоемы из аллохтонных и автохтонных источников, но и от гидродинамической активности водных масс, влияющей на ход физико-химических и биологических процессов.
В долинных водохранилищах, каковыми являются водохранилища Волги (за исключением озеровидного Рыбинского), содержание БЭ в осадках, отобранных в русловой части, уменьшается от плотины к месту выклинивания подпора.- В среднем по участкам, расположенным последовательно по длине водохранилищ, это четко выражено (табл. 83) (Зиминова, Законнов, 1980; 1988; Законнов, Зиминова, 1982).
В отложениях Рыбинского водохранилища содержание БЭ увеличивается также от речных плесов к Главному, но причины повышения иные, чем в других водохранилищах Волги. Высокое содержание ОВ в этом плесе связано с наличием торфяных сплавин и обогащением продуктами их размыва всех типов отложений. Исключение составляет Горьковское водохранилище, в котором повышение содержания углерода и азота отмечается и в верховьях-(ниже г. Костромы), где начинают формироваться илистые отложения за счет аккумуляции взвесей, приносимых из Рыбинского водохранилища и Костромского расширения.
Повышение содержания БЭ в отложениях наблюдается в устьях притоков и на выходах из заливов. Это связано с уменьшением транспортирующей способности потоков в устьях рек и интенсивности накопления взвешенного ОВ, как приносимого с речным стоком, так и продуцируемого в зарастающих заливах. При этом немаловажную роль играют конфигурация залива и морфологические показатели. Так, в небольших заливах Иваньковского и Куйбышевского водохранилищ идет интенсивное накопление отложений из макрофитов, богатых органикой. Минимальным содержанием БЭ характеризуются ДО Костромского расширения. Мелководность этого участка обусловливает полное ветровое перемешивание вод, хорошую прогреваемость и, как следствие, интенсивную минерализацию органических взвесей в водной массе, значительный вынос их в основную акваторию и снижение скорости аккумуляции. Изменения транспортирующей способности водных масс проявляются не только по длине водохранилищ от верховьев к плотине, но и по их поперечному сечению. При этом с увеличением глубины водоемов происходит возрастание интенсивности осадкообразования, меняется дисперсность осадков и увеличивается содержание БЭ (табл.84).
Так, во всех без исключения водохранилищах песчаные наносы накапливаются преимущертвенно на отметках глубин 0-6-10 м. Содержание в них БЭ зависит от количества илистых фракций. Глубже изобат 6-10 м распространяются илистые отложения и соответственно возрастает содержание БЭ. Исключения отмечены в Рыбинском водохранилище, когда торфянистый ил накапливается в заливах и заостровных пространствах -выше зоны аккумуляции илистых отложений.
В сухой массе отложений содержится 0-1.5% углерода карбонатов, что составляет от 0 до 40% общего углерода, а в среднем от 5% в Рыбинском водохранилище до 20% в Горьковском. Максимальной карбонатностью характеризуются бурые , илы, образовавшиеся из продуктов размыва коренного берега, сложенного мергелем и "глинистой брекчией", и залегающие на правом склоне русла Волги (Иконников, 1972). Они начинаются от Горьковского водохранилища и прослеживаются далее вниз по каскаду.
Колебания общего фосфора в различных типах ДО самые незначительные - от 0.01 до 0.30%, в среднем 0.09% (0.07-0.11%). В продуктах абразии берега эта величина несколько ниже - 0.7% (Ронов, Корзина, 1960). Большая часть фосфора в осадках Шекснинского водохранилища представлена неорганическими формами (70-80%) и только 20-30% приходится на органические и легкоподвижные (Кудрявцева, 1982). Надо полагать, что такое соотношение характерно и для ДО водохранилищ Волги.
Отношение углерода к азоту в органическом веществе ДО меняется в основном от 7 до 17. Оно зависит от характера грунта и составляет в песках 7-9, илистых песках - 8-12, серых песчанистых илах - 9-15, серых илах 13-17 и торфянистых илах - больше 20. Целесообразно отметить, что значения отношения С : N в ОВ верхнего слоя осадков (7-15) и взвешенных веществах (5-17) верхневолжских водохранилищ близки между собой (Зиминова и др., 1976) и превышают значения, характеризующие ОВ пахотного слоя дерново-подзолистых почв бассейна (6-10) (Кононова, 1963). Наибольшее значение этого показателя характерно для ДО Рыбинского водохранилища, особенно для торфогенных и торфянистых илов, из-за их перегруженности трудноминерализуемыми лигнино-гумусовыми веществами, составляющими 35-50% массы ила и около 80% общего органического вещества (Сорокин, 1959). В торфе, служащим исходным материалом для формирования торфянистых и торфогенных илов, отношение С : N равно 75 при содержании ОВ 82%.
Пространственные различия в скоростях накопления ДО и содержании БЭ в них определяют неравномерное распределение их запасов в чаше водохранилищ (табл.85). Иваньковское водохранилище. Основной аккумулятор биогенных элементов - Иваньковский плес, в ДО которого заключено около половины их общего запаса. На долю Шошинского плеса приходится 24% органического углерода, 27% общего азота и 22% общего фосфора. На глубинах, превышающих 6 м и занимающих всего 16% площади водоема, сосредоточено 50% количества БЭ. В среднем по водохранилищу за 40-летний период скорость аккумуляции биогенных элементов равна: углерода 10 тыс. т, азота 1.1 тыс. т и фосфора 0.4 тыс. т (Зиминова, Законное, 1980).
Угличское водохранилище. Распределение запасов биогенных элементов по участкам довольно равномерно, что определяется сравнительным однообразием гидрохимического режима водоема , и отсутствием существенных местных источников БЭ. Около 80% запасов БЭ сосредоточено на глубинах более 6 м, половина запаса - на глубинах более 9 м, занимающих 15% площади дна. Средняя для всего водохранилища многолетняя (38 лет) скорость аккумуляции биогенов в ДО равна: углерода 5 тыс. т, азота 0.6 тыс. т и фосфора 0.2 тыс. т, вдвое меньше, чем в Иваньковском - головном водохранилище каскада (Зиминова, Законнов, 1980).
Рыбинское водохранилище. Основной аккумулятор биогенных элементов - Главный плес, где накопилось 75-85% общего запаса, на долю Волжского плеса приходится 6-10%, а на Моложский и Шекснинский плесы
- от 3 до 10%. На глубинах, превышающих 6 м и занимающих 45% площади дна водоема, сосредоточено 75% объема и 60% массы осадочного материала
- 80% органического углерода и общего азота и 66% общего фосфора, а на глубинах более 10 м (13% площади) - 40% объема и 27% массы вещества -свыше 50% органического углерода и общего азота и около 40% общего фосфора. Средняя за период (38 лет) скорость аккумуляции углерода равна 215 тыс. т, азота - 16.3 тыс. т и фосфора 3.3 тыс. т (Законнов, Зиминова, 1982).
Горьковское водохранилище. Аккумуляция основной массы биогенных элементов (60-68%) происходит в озеровидной части водохранилища на глубинах более 4 м. В Костромском расширении накоплено всего 5% общего запаса. Скорость аккумуляции БЭ за 25-летний период составила 50 тыс. т углерода, 5.1 тыс. т азота и 2.2 тыс. т фосфора (Зиминова, Законнов, 1988).
Чебоксарское водохранилище. Накопление биогенных элементов происходит в Нижнем и Среднем районах водохранилища на глубинах от 6 до 10 м и в устьях крупных притоков - pp. Суры и Ветлуги. За 20-летний период скорость накопления углерода составила 44 тыс. т, азота около 5 тыс. и 2 тыс. т фосфора.
Качество воды и восстановление пресноводных экосистем
Качество воды является результатом функционирования водных экосистем (Романенко, 2004). Оно зависит не только от антропогенной нагрузки в результате поступления загрязняющих веществ (ЗВ) в пресноводные объекты из различных источников, но и вторичного загрязнения.
Прямому и вторичному загрязнению поверхностных вод способствуют:
1. Усиление промышленно-бытовых, сельскохозяйственных сбросов, а также трансграничного переноса ЗВ воздушным - с твердыми и жидкими атмосферными осадками и водным - поверхностным и подземным стоком;
2. Соотношение площадей илистых и песчанистых наносов;
3. Темпы седиментации тонкодисперсных донных отложений;
4. Повышение концентраций взвесей, органического вещества и других поллютантов в воде и донных осадках;
5. Биохимические процессы, вызванные повышением температуры, дефицитом растворенного в воде кислорода, величиной рН и Eh, усилением десорбции ЗВ из ДО в воду;
6. Изменение водообмена в сторону его уменьшения, что приводит к усилению процесса седиментации и, следовательно, к активизации накопления в ДО ЗВ;
7. Усиление переноса воздушных масс в направлениях, совпадающих с максимальной длиной и шириной водных экосистем, когда при сильных ветрах и наибольшем их разгоне воздействие волн на дно максимально (до 10 м изобаты). В результате происходит взмучивание ДО и переход их в воду (во взвешенное состояние);
8. Искусственное повышение или понижение уровня воды водохранилищ;
9. Судоходство, которое является источником как прямого, так и вторичного загрязнения;
10. Дночерпательные работы, спрямление русел и добыча песчано-гравийной смеси представляют опасность с точки зрения вторичного загрязнения.
11. Экстремальные случаи аварийных сбросов промышленно-бытовых и сельскохозяйственных стоков, радиоактивного и теплового загрязнения, которые приводят к резкому ухудшению качества воды и увеличению концентраций поллютантов в верхнем слое ДО.
При сложившейся за многолетний период системе управления режимом эксплуатации водохранилищ, которая привела к упорядоточиванию внутриводоемных процессов, распределению ДО и накоплению в них ОВ и загрязняющих веществ, опасность вторичного загрязнения сохраняется, но она еще не достигла критических отметок.
Относительная стабильность водных экосистем определяется:
1. Сезонным и многолетним режимом регулирования уровня воды в отдельных водохранилищах и устойчивым коэффициентом водообмена, характеризующим смену водных масс;
2. Климатическими особенностями территории водосборных бассейнов, влияющими на изменение температуры воздуха и воды (повышение ее величины способствует усилению биохимических процессов и выделению ЗВ из ДО в воду, понижение - промерзанию до дна);
3. Благоприятным для водоемов кислородным режимом в безледный период - 7-Ю мг 02/л, а зимой около 4.0 (2- 6 мг 02/л) и постоянной величиной рН =7— 8;
4. Спадом промышленного и сельскохозяйственного производства,! в результате которого уменьшилось поступление ЗВ из точечных и диффузных источников. Качество воды водохранилищ Волги за последние годы улучшилось и перешло по индексу загрязнения воды (ИЗВ) из класса загрязненной в 1994 г. (ИЗВ=2.8) в класс умеренно загрязненной (1995 г. -2.1, 2000 г.-1.8);
5. Сложившимся пространственным распределением основных типов ДО, когда наиболее загрязненные илистые отложения накапливаются, как правило, на глубинах 9 м, куда не распространяется размывающее действие волн и тепловое загрязнение. Принято считать, что ЗВ в этих осадках погребены безвозвратно; .
6. Низким уровнем содержания ОВ, БЭ, концентраций ТМ и других поллютантов в ДО;
7. Наличием водоохранных зон, которые наряду с воздушной и водной растительностью являются хорошим фильтром по уменьшению концентраций ЗВ с селитебных территорий.
Проблема восстановления техногенных экосистем решалась на примере Рыбинского водохранилища (Герман, Законнов, 2005). Заполненное в 1947 г. оно является крупнейшим из потенциально возможных источников водоснабжения центральдю-промышленного района Европейской части России. Малая проточность водоема создает благоприятные условия для развития процессов, ведущих к улучшению состава микрофлоры и некоторых физических свойств воды. В этом отношении водохранилище служит "буфером", не пропуская поступающие в него токсические вещества. Это стало впервые понятно после создания крупного Череповецкого металлургического комплекса (ЧМК). Проведенные в конце 60-х гг. исследования акватории водохранилища на предмет загрязнения нефтепродуктами показали, что значительная часть их оседает в устьевых участках рек, принимающих стоки, и на дно водоема в непосредственной близости от г. Череповца (Рыбинское ... , 1972). Открытая часть водохранилища загрязнялась нефтебаржами при сбросе подсланиевых вод, а также при различных авариях. В результате такой аварии, как например в 1993 г., содержание нефтепродуктов в воде уже через месяц не превышало обычных значений, однако ДО очень сильно были загрязнены практически по всему Шекснинскому плесу, захватив и Главный плес.
Более подробно загрязнение водохранилища стало изучаться в 1986-1988 гг. после крупной аварии, произошедшей на ЧМК. С помощью хромато-масс-спектрометрического анализа были выделены основные группы загрязняющих веществ: ди- и полиароматические углеводороды (производные нафталина, дигидроаценафтилен, флуорен, дифенил); кетоны, альдегиды и сложные эфиры (дибутилфталат и диоктилфталат); ,, азотсодержащие гетероциклические соединения (производные пиридина и хинолина); кислород- и серосодержащие гетероциклические соединения (дибенхофуран); алкилбензолы и нефтепродукты (Козловская и др., 1990). Тогда же были обнаружены и полихлорированные бифенилы (ПХБ) -наиболее опасные токсиканты, включенные ЮНЕП в список приоритетных глобальных токсикантов. В 1991-1997 гг. было проведено подробное исследование загрязнения Рыбинского водохранилища тремя группами органических токсикантов - ПХБ, ПАУ и нефтепродуктами. Целью работы было уточнить распределение и количественное соотношение токсикантов в различных районах водохранилища с оценкой возможности их экологической реабилитации. Особое внимание было уделено поступлению и миграции ПХБ по трофической цепи водоема как наиболее важной составляющей в силу их исключительной устойчивости как к физическим, так и химическим (биохимическим) факторам водной среды.
В отличие от нефтепродуктов и ПАУ, подвергающихся в водной среде интенсивной биодеградации, о чем свидетельствует активизация в местах выброса микроорганизмов, разрушающих нефтепродукты, фенол, нафталин и др., сопровождающаяся резким уменьшением их концентраций после прекращения выброса (Козловская и др., 1990), лишь некоторые изомеры ПХБ (с числом атомов хлора меньше четырех) утилизируются микробами. При этом важнейшим фактором выступает температура. В условиях низкой температуры и аэрации снижение на 50% содержания ди- и трихлорбифенилов в ДО толщиной 6 мм происходит за 2 месяца, 10 мм - за 5 месяцев, 15 мм - за 10 -месяцев (Willmas et al., 1997). Деградация высших гомологов ПХБ происходит в организме млекопитающих и птиц. Благодаря такой устойчивости ПХБ способны далеко распространяться от мест своего поступления в водоем путем реадсорбции и последующего осаждения, что служит мощным вторичным источником загрязнения вод и других организмов.
Существующее в настоящее время значительное число технических наработок по реабилитации предназначено, прежде всего, для наземных экосистем (Авхименко, 2000). Интенсивная реабилитация крупных водных экосистем связана с огромными затратами и в настоящее время вряд ли будет возможна. Очистка водоема от персистентных токсикантов могла бы быть осуществлена простым увеличением его проточности (конечно, при отсутствии дальнейшего поступления). Это было наглядно показано в 1997 г., когда в результате закрытия на ОАО "Северсталь" стока № 2 (основного источника поступления ПХБ в водохранилище) ДО принимавшей его р. Серовки уже через год содержали в 10 раз меньше ПХБ. Однако это не свидетельствует об их разложении, так как в расположенных ниже pp. Ягорба и Шексна концентрация ПХБ осталась прежней, а на некоторых участках оказалась даже повышенной.
