CC BY
17УДК 502:504 DOI: 10.35567/19994508_2022_4_3
Дефицит растворенного кислорода в условиях массового развития синезеленых водорослей на Куйбышевском водохранилище
К.В. Селезнева1'2 , А.В. Селезнева1 (Е , В.А. Селезнев1 ©
И kvbespalova@yandex.ru
1 ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук»-филиал Самарского федерального исследовательского центра Российской академии наук, г. Тольятти, Россия
2 ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти, Россия АННОТАЦИЯ
Актуальность. Содержание растворенного кислорода - важнейший показатель экологического состояния и качества воды Куйбышевского водохранилища, используемого для питьевого водоснабжения, рыбного хозяйства и рекреации. Поэтому количественная оценка сезонной изменчивости растворенного кислорода и его дефицита в условиях массового развития синезеленых водорослей являются весьма актуальной задачей. Методы. Систематические наблюдения проводились в период 2001-2020 гг. в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища с учетом недельного и суточного режима регулирования водного стока в створе Жигулевского гидроузла. Периодические наблюдения проходили также на научно-исследовательском судне «Биолог» с применением информационно-измерительной системы качества воды «Хитон». Результаты. Результаты исследований показывают, что сезонная изменчивость концентрации растворенного кислорода включает четыре периода с различной направленностью процессов формирования кислородного режима. В летний минимум возникает дефицит растворенного кислорода, когда его концентрация снижается до критических значений 4-5 мг/дм3. На формирование летнего минимума кислорода негативное влияние оказывает процесс массового развития синезе-леных водорослей. В результате фотосинтезирующей аэрации образуется тонкий перенасыщенный кислородом поверхностный слой воды, который нарушает процесс абсорбции кислорода на значительной части акватории водохранилища. В условиях роста биогенной нагрузки и глобального потепления климата интенсивность и масштаб массового развития синезеленых водорослей на Куйбышевском водохранилище будет только увеличиваться, что приведет к дальнейшему росту дефицита кислорода, ухудшению качества воды и возникновению рисков водопользования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Куйбышевское водохранилище, растворенный кислород, сезонная изменчивость, дефицит кислорода, риски водопользования.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания (регистрационный номер 1021060107175-5-1.6.19).
Для цитирования: Селезнева К.В., Селезнева А.В., Селезнев В.А. Дефицит растворенного кислорода в условиях массового развития синезеленых водорослей на Куйбышевском водохранилище // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 4. С. 38-53. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_3.
Дата поступления 12.05.2022.
© Селезнева К.В., Селезнева А.В., Селезнев В.А., 2022
Dissolved oxygen deficiency in the conditions of anthropogenic eutrophication of the Kuibyshev reservoir Ksenia V. Selezneva1^ , Alexandra V. Selezneva1 © , Vladimir A. Seleznev1 O
ISI kvbespalova@yandex.ru
1 Institute of Ecology of the Volga Basin RAS - branch of the Samara Federal Research Center RAS, Togliatti, Russia
2 Togliatti State University, Togliatti, Russia
ABSTRACT
Relevance. The content of dissolved oxygen is the most important indicator of the ecological state and quality of the water in the Kuibyshev reservoir, which is used for drinking water supply, fisheries and recreation. Therefore, a quantitative assessment of the seasonal variability of dissolved oxygen and its deficiency in the conditions of the mass development of cyanobacteria is very relevant. Methods. Systematic observations were carried out in the period 2001-2020 in the outlet section of the Kuibyshev reservoir, taking into account the weekly and daily regime of regulation of the water line in the section of the Zhiguli hydroelectric complex. Periodic observations in the water area of the reservoir were carried out on the research vessel "Biolog" using the information-measuring water quality system "Khiton". Results. The research results show that the seasonal variability of the dissolved oxygen concentration includes four periods, which differ in different directions of the processes of formation of the oxygen regime. Within the year, two minima of the dissolved oxygen content are observed: namely, winter and summer ones. In the summer minimum, there is a deficiency of dissolved oxygen. Its concentration decreases to critical values and is 4-5 mg/dm3. The formation of the summer oxygen minimum is significantly affected by the mass development of cyanobacteria. As a result of photosynthetic aeration, a thin surface layer of water supersaturated with oxygen is formed, which disrupts the process of oxygen absorption from the atmosphere in a significant part of the reservoir water area. Under the conditions of growing biogenic load and global climate warming, the intensity and scale of the process of mass development of blue-green algae in the Kuibyshev reservoir will only increase, which will lead to a further increase in oxygen deficiency, deterioration of water quality and the emergence of water use risks.
Keywords: reservoir, dissolved oxygen, seasonal variability, oxygen deficiency, water use risks.
Financing: The work was carried out within the framework of the state task (registration number 1021060107175-5-1.6.19).
For citation: Selezneva K.V., Selezneva A.V., Seleznev V.A. Dissolved oxygen deficiency in the conditions of anthropogenic eutrophication of the Kuibyshev reservoir. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 4. P. 38-53. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_3.
Received 12.05.2022.
ВВЕДЕНИЕ
Куйбышевское водохранилище является самым крупным в Волжско-Камском каскаде [1] и используется в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для нужд рыбного хозяйства и рекреации. Его экологическое и санитарно-гигиеническое состояние во многом определяется содержанием в воде растворенного кислорода в различные сезоны года. Особую озабоченность вызывает снижение концентрации растворенного кислорода ниже нормативных значений, что свидетельствует о загрязнении водохранилища и изменении биологических процессов в водоеме.
Закономерности кислородного режима Куйбышевского водохранилища исследованы в работах [2-19]. После создания водохранилища в 1957 г. кислородный режим претерпел серьезные изменения по сравнению с речными условиями, главное из которых - установление вертикальной стратификации в содержании растворенного кислорода. В поверхностном слое воды содержание кислорода близко к насыщению, а в придонных слоях наблюдается его недостаток. Содержание растворенного кислорода, в основном, определяется температурой воды и в результате взаимодействия разнонаправленных процессов: одни из них уменьшают содержание кислорода, другие - увеличивают. Увеличение кислорода в воде осуществляется за счет его поступления из атмосферы и выделения водной растительностью в процессе фотосинтеза. Уменьшение кислорода осуществляется за счет его потребления на окисление органических веществ, дыхание гидробионтов и выделение кислорода из воды в атмосферу. Соотношение интенсивности указанных процессов определяет содержание растворенного кислорода в воде. Отмечено, что критические условия с минимальным содержанием кислорода наблюдаются в маловодные годы, а в сезонном разрезе - в период зимней межени (перед началом весеннего половодья) и в период летней межени (июль, август) из-за повышенного прогрева (>20 °С) глубоких слоев воды.
К настоящему времени недостаточно изучен процесс формирования кислородного режима в условиях массового развития водорослей, когда наблюдается летний дефицит кислорода и возникают риски использования водохранилища для ведения рыбного хозяйства и питьевого водоснабжения. В условиях роста биогенной нагрузки и глобального потепления климата актуальность изучения кислородного режима приобретает особое значение. Целью проведенных исследований является количественная оценка сезонной изменчивости концентрации растворенного кислорода и ее причин по многолетним данным, полученным на стационарном пункте наблюдений, и по единой методике.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Площадь Куйбышевского водохранилища при нормальном подпорном уровне составляет 6450 км2, общая длина - 750 км с учетом волжской и камской веток. Ширина самого большого плеса водохранилища в районе слияния Волги и Камы - 40 км. Наибольшая глубина водохранилища на Приплотин-ном плесе - 41 м [20]. Морфология водохранилища сложная и характеризуется чередованием широких плесов и сужений, хорошо выраженным глубоководным руслом и мелководной поймой, а также наличием обширных заливов в районах подпора боковых притоков.
Гидрохимические наблюдения проводились систематически в период 2001-2020 гг. Стационарный пункт наблюдений расположен на правом берегу, в нижнем бьефе Жигулевского гидроузла (рис. 1). Ширина водохранилища в пункте наблюдения составляет 1,5 км, глубина на вертикали отбора проб воды 6-9 м. В данном пункте наблюдений из-за работы гидроузла происходит интенсивное перемешивание водных масс Куйбышевского водохранилища и, практически по всей глубине водоема, устанавливается однородная по физико-химическим показателям водная масса [21, 22].
Рис. 1. Замыкающий створ Куйбышевского водохранилища
(Жигулевский гидроузел) и расположение пункта гидрохимических наблюдений.
Fig. 1. Outlet gate of the Kuibyshev reservoir (Zhigulev hydroelectric complex) and the location of the hydro/chemical observation point.
Достоверная оценка сезонной изменчивости концентрации растворенного кислорода возможна только в случае, если она основана на однородном материале, собранном унифицировано по одной методике. Пробы воды для гидрохимического анализа отбирали на стационарном пункте наблюдений ежемесячно. Дискретность отбора проб воды обоснована предварительными учащенными наблюдениями (4 раза в месяц). Для исключения влияния на содержание кислорода суточного и недельного режимов регулирования водного стока [23] пробы воды отбирали в определенный день недели (среда) и определенное время суток (11 ч местного времени). Для количественной оценки сезонных изменений репрезентативные выборки для каждого месяца подвергались статистической обработке.
Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. Поэтому при его определении особо тщательно осуществлялся отбор проб воды: исключался контакт воды с воздухом до фиксации кислорода. Наряду с определением абсолютных значений концентрации растворенного кислорода оценивалось относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания (степень насыщения кислородом). Для расчета степени насыщения кислородом определяли температуру воды и атмосферное давление.
Отбор проб воды осуществлялся батометром Молчанова ГР-18. При изъятии воды из батометра сводилась к минимуму возможность контакта пробы с атмосферой во избежание растворения кислорода из воздуха или выделения
его из пробы в атмосферу. Не допускалось взбалтывание и перемешивание пробы воды. Отбор проб и определение массовой концентрации растворенного кислорода выполняли в соответствии с руководящими документами Росгидромета (табл. 1).
Таблица 1. Диапазон и точность измерения концентрации растворенного кислорода
Table 1. Range and accuracy of dissolved oxygen concentration measurement
Период наблюдений, год Нормативный Диапазон измерений, мгО2/дм3 Показатель точности, ± А*, мг/дм3
документ мг/дм3 %
2001-2005 ПНД Ф 14.1:2.100-97 4,0 < РК < 10,0 10,0 < РК < 80,0 - 30 24
2006-2020 РД 52.24.419-2005 1,0 < РК < 3,0 3,0 < РК < 15,0 0,10х РК 0,032 х РК -
Примечание: А* - границы абсолютной и относительной погрешности при вероятности Р = 0,95.
В периоды проведения экспедиционных работ на акватории Куйбышевского водохранилища на судне «Биолог» в качестве дополнительного средства измерения использовалась информационно-измерительная система качества воды «Хитон». С ее помощью оценивались пространственные неоднородности водной массы по температуре и электропроводности воды, рН, растворенному кислороду и хлорофиллу «а». Осуществлялся также контроль метеорологических и гидрологических параметров, включая температуру воздуха, скорость ветра, количество ясных дней, скорость и направление течения, ветровое волнение и глубину водохранилища.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты наблюдений в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища показали, что средняя годовая концентрация растворенного кислорода за период 2001-2020 гг. составила 9,5±0,3 мг/дм3. Средние годовые концентрации растворенного кислорода менялись незначительно: наибольшая концентрация - 10,3±0,3 мг/дм3, наименьшая - 9,0±0,3 мг/дм3. Внутригодовые концентрации растворенного кислорода менялись весьма существенно.
Результаты наблюдений в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища показали, что осредненные за период 2001-2020 гг. средние месячные концентрации растворенного кислорода (РК ) изменялись внутри года
ср
в пределах от 6,7±0,2 до 12,7±0,4 мг/дм3 (табл. 2). Наименьшие концентрации (РКср) наблюдались в период летней межени (июль, август) и составили
ср
6,7-7,1 мг/дм3. Максимальные средние месячные концентрации растворенного кислорода (РКтах) изменялись от 8,2±0,3 (август) до 14,2±0,5 мг/дм3 (декабрь), а минимальные (РКт,п) - от 4,1±0,2 мг/дм3 (август) до 11,7±0,4 мг/дм3 (январь). Амплитуда сезонных колебаний концентрации растворенного кислорода, в основном, увеличивалась за счет уменьшения концентрации кислорода в летний период.
Таблица 2. Сезонные изменения содержания растворенного кислорода, мг/дм3 Table 2. Seasonal changes in dissolved oxygen content, mg/dm3
Концент-
Месяц
рация I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
PK ср 12,3 10,9 9,1 S,6 9,6 S,3 7,1 6,7 7,S 9,2 11,1 12,7
PK max 13,1 12,5 11,0 10,7 10,7 9,7 9,0 S,2 9,2 11,1 12,S 14,2
PK min 11,7 9,6 7,6 7,0 7,9 6,S 5,0 4,1 6,4 6,7 9,7 11,6
Содержание растворенного кислорода характеризуется ярко выраженной сезонной изменчивостью, для которой характерны два минимума концентрации - зимний и летний (рис. 2). Зимний минимум кислорода наблюдался в марте в конце ледостава, летний - в июле-августе при наибольших температурах воды. При этом дефицит кислорода в летний минимум отмечался более существенный, чем в зимний.
Рис. 2. Четыре разнонаправленных периода сезонной изменчивости концентрации растворенного кислорода (-р - планки погрешностей). Fig. 2. Four multidirectional periods of seasonal variability of DO concentration (-p - error bars).
Сезонная изменчивость концентрации растворенного кислорода включает четыре периода (I, II, III, IV), которые отличаются друг от друга разнонаправленными трендами увеличения или уменьшения концентрации кислорода (рис. 2). Сезонная изменчивость концентрации растворенного кислорода обусловлена взаимодействием противоположно направленных факторов, основными из которых являются абсорбция кислорода в воду из атмосферы, поступление кислорода в результате фотосинтеза водорослей, потребление кислорода на биохимическое окисление органических и минеральных веществ и потребление кислорода на дыхание гидробионтов. В периоды I и III складывается отрицательный кислородный баланс, а для периодов II и IV - положительный.
Период I продолжается с января по апрель и характеризуется отрицательным кислородным балансом. В этот период наблюдается уменьшение концентрации кислорода с 12,3 до 8,6 мг/дм3 при неизменной температуре воды, близкой к нулю. Уменьшение кислорода, в основном, обусловлено прекращением его поступления из атмосферы в условиях ледостава на водохранилище, а также постепенным заполнением водохранилища грунтовыми водами с низким содержанием кислорода.
Период II продолжается с апреля по май, это самый короткий период сезонной изменчивости кислорода, характеризующийся положительным кислородным балансом. В этот период наблюдается увеличение концентрации кислорода с 8,6 до 9,6 мг/дм3. Несмотря на рост температуры воды, концентрация кислорода увеличивается, в основном, за счет заполнения водохранилища почвенно-поверхностными водами с высоким содержанием кислорода, поступления кислорода из атмосферы и в результате фотосинтеза водорослей.
Период III продолжается с мая по август и характеризуется отрицательным кислородным балансом. В это время наблюдается уменьшение концентрации кислорода с 9,6 до 6,7 мг/дм3. Уменьшение содержания кислорода обусловлено повышением температуры воды, постепенным заполнением водохранилища грунтовыми водами с низким содержанием кислорода, потреблением кислорода на биохимическое окисление органических и минеральных веществ. Выделение кислорода в результате фотосинтеза водорослей не в состоянии остановить процессы его уменьшения. В конце периода отмечаются самые низкие концентрации растворенного кислорода.
Период IV продолжается с августа по декабрь и характеризуется положительным кислородным балансом: наблюдается увеличение концентрации кислорода с 6,7 до 12,7 мг/дм3. Увеличение содержания кислорода обусловлено понижением температуры воды, интенсификацией процесса поступления кислорода из атмосферы. В этот период обусловливающие поступление кислорода процессы преобладают над процессами, ответственными за расходование кислорода в водных массах водохранилища.
Полученные результаты убедительно доказывают, что минимальная концентрация растворенного кислорода в диапазоне сезонной изменчивости наблюдается в августе и составляет 6,7 мг/дм3. Однако в отдельные годы концентрация растворенного кислорода снижается до 4,1 мг/дм3 (табл. 2). Столь низкие значения концентрации растворенного кислорода уже не соответствуют нормативным требованиям, предъявляемым к качеству воды Куйбышевского водохранилища. Содержание растворенного кислорода в воде должно быть не менее 6,0 мг/дм3.
Низкие концентрации растворенного кислорода оказывают негативное влияние на экологическое состояние водохранилища и жизнеспособность гидробионтов. От содержания кислорода в воде, а также скорости его поступления в организм при дыхании гидробионтов зависит интенсивность обменных процессов. Существенный дефицит растворенного кислорода отрицательно сказывается на росте и развитии гидробионтов и может привести к
их массовой гибели. Особенно страдают от дефицита кислорода придонные обитатели водохранилища. Ослабленные болезнью окуневые рыбы и речные раки оказываются на берегу из-за резких колебаний уровня воды и ветровых волн, как это периодически случается в Усинском и Черемшанском заливах Куйбышевского водохранилища в период массового развития синезеленых водорослей (рис. 3).
Установленные закономерности сезонной изменчивости концентрации растворенного кислорода (рис. 2) остаются неизменными год от года. А вот абсолютные значения концентраций ежегодно меняются, особенно летом, и зависят от широкого спектра гидрометеорологических условий, включая такие показатели, как температура воды, расход и уровень воды, продолжительность безоблачной и безветренной погоды. В жаркие и маловодные годы летний минимум усиливается и концентрация растворенного кислорода снижается до уровня ниже допустимого - менее 6,0 мг/дм3. Наглядным примером является аномальный 2010 г., когда летом температура воздуха была существенно выше, а осадки ниже нормы.
Рис. 3. Окуневые рыбы и речные раки после замора в Усинском заливе. Fig. 3. Perch fish and crayfish after a fish kill in the Usinsky Bay.
По продолжительности жарких и безветренных дней 2010 г. был экстремальным в Поволжье за весь период инструментальных метеорологических наблюдений, что обусловлено длительным стоянием блокирующего антициклона. Погода в антициклоне сопровождалась большим количеством ясных и штилевых дней. Из-за маловодья на Средней и Нижней Волге в августе средний месячный расход воды сократился по сравнению с нормой в три раза, уровень воды понизился до критических значений. В июле и августе на акватории водохранилища сложились благоприятные условия для массового развития синезеленых водорослей, когда их биомасса (по хлорофиллу «а») превысила многолетнюю норму в 6-8 раз.
Летом 2010 г. в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища наибольшая средняя месячная температура воды (Т) наблюдалась в июле -23,5 °С, в августе она понизилась до 21,2 °С. Концентрация растворенного кислорода в июле составила 6,4 мг/дм3, в августе - 4,1 мг/дм3, а степень насыщения растворенным кислородом (СНРК) 75,6 % и 46,6 % соответственно. Значительный дефицит растворенного кислорода (ДРК), как разность между концентрацией равновесного (РКР) и фактического (РКф растворенного кислорода, наблюдался в марте 6,3 мг/дм3 и августе 4,7 мг/дм3 (табл. 3). Однако в марте, несмотря на значительный дефицит кислорода, абсолютные значения фактического растворенного кислорода (РКф), оставались достаточно высокими - 8,3 мг/дм3. Следовательно, с экологической точки зрения, самым неблагоприятным периодом по содержанию растворенного кислорода следует считать август, когда фактическая концентрации РК почти на 2 мг/дм3 была меньше допустимой концентрации 6,0 мг/дм3.
Таблица 3. Сезонные изменения температуры воды, концентрации кислорода, дефицита кислорода и степени насыщения кислородом в аномальном 2010 г.
Table 3. Seasonal changes in water temperature, oxygen concentration,
oxygen deficiency and degree of oxygen saturation in an anomalous year (2010)
Показатель Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Т, °С 0,1 0,1 0,1 1,2 10,2 20,4 23,5 21,2 18,4 8,4 4,2 0,2
РКР, мг/дм3 14,6 14,6 14,6 14,2 11,2 9,0 8,4 8,8 9,3 11,7 13,1 14,6
РКф мг/дм3 12,2 10,6 8,3 9,8 10,2 8,6 6,4 4,1 6,6 10,1 10,8 12,9
ДРК, мг/дм3 2,4 4,0 6,3 4,4 1,0 0,4 2,0 4,7 2,7 1,6 2,3 1,7
СНРК, % 83,6 72,6 56,8 69,0 91,1 95,6 76,2 46,6 71,0 86,3 82,4 88,4
Исследование причин формирования летнего минимума и дефицита растворенного кислорода представляет научный интерес и имеет практическую значимость. При изучении сезонной динамики растворенного кислорода в аномальном 2010 г. и определяющих ее факторов обращает на себя внимание тот факт, что температура воды от июля к августу снизилась более, чем на 2 °С, что должно было бы привести к увеличению концентрации растворенного кислорода. Однако наблюдалась обратная картина - концентрация растворенного кислорода уменьшилась с 6,4 до 4,1 мг/дм3 (рис. 4). Если учесть, что потребление кислорода на окисление веществ и дыхание гидробионтов в июле и августе практически одинаковое, то возможно предположить, что существует дополнительный неучтенный фактор, уменьшающий содержание растворенного кислорода в водохранилище.
Вероятно, дополнительным фактором, оказывающим негативное влияние на формирование летнего минимума, является процесс массового развития синезеленых водорослей. В результате фотосинтезирующей аэрации в районах массового развития водорослей образуется тонкий перенасыщенный кислородом поверхностный слой воды, который снижает абсорбцию кислорода из атмосферы на значительной части акватории водохранилища. Образующиеся в ясную и безветренную погоду обширные поля синезеленых водорослей частично задерживают поступление солнечной радиации в нижележащие слои, что препятствует фотосинтезу и выделению кислорода в водную массу. Влияние этого дополнительного фактора на формирование кислородного режима зависит от масштаба процессов массового развития синезеленых водорослей на акватории водохранилища.
25
20
К10 5 0
Месяц
Рис. 4. Изменение температуры воды, концентрации равновесного и фактического кислорода в аномальном 2010 г.
Fig. 4. Changes in water temperature, equilibrium and actual oxygen concentrations in an anomalous year (2010).
Результаты экспедиционных исследований Куйбышевского водохранилища и многолетних пространственных наблюдений показали, что ежегодно в летний период на акватории Куйбышевского водохранилища наблюдался процесс массового развития водорослей. Данный процесс приводил к образованию пятнистых полей водорослей в глубоководной русловой части и сплошных полей в мелководной пойме на поверхности водохранилища (рис. 5).
Среди водорослей в поверхностном слое воды определяющую роль играли синезеленые водоросли [24]. Следует отметить, что присутствующие в водохранилище отдельные представители синезеленых водорослей способны продуцировать токсины [25]. Интенсивность и продолжительность массового развития синезеленых водорослей зависят от гидрометеорологических условий и режима регулирования водного стока на Жигулевском, Чебоксарском и Нижнекамском гидроузлах [26].
В период массового развития синезеленых водорослей существенным образом изменялся гидрохимический режим Куйбышевского водохранили-
ща. По мере роста биомассы водорослей (по хлорофиллу «а») концентрация биогенных веществ, в частности нитратов и фосфатов, в воде уменьшалась, увеличивалась «цветность» воды, появлялся неприятный запах. Значение рН смещалось в сторону щелочной реакции, возрастало содержание взвешенных и растворенных органических веществ [27]. В целом санитарно-гигиеническое состояние водохранилища, как источника питьевого водоснабжения, резко ухудшалось.
Рис. 5. Пятнистые поля водорослей в русле (слева) и сплошные поля
в пойме (справа).
Fig. 5. Spotted kelp fields in the channel (left) and solid fields in the floodplain (right).
Детальное вертикальное зондирование водной массы водохранилища с использованием информационно-измерительной системы «Хитон» показало, что в местах скопления синезеленых водорослей наблюдалось перенасыщение воды растворенным кислородом. В результате фотосинтезирующей аэрации синезелеными водорослями в тонком поверхностном слое (1-3 см) степень насыщения воды кислородом в русловой части водохранилища составляла 100-120 %, а в левобережной мелководной пойме и заливах - 150-200 %.
Известно, что одним из главных источников поступления кислорода в поверхностные воды является его абсорбция из атмосферы (растворение кислорода при контакте с воздухом). Абсорбция происходит на поверхности водоема. Скорость этого процесса зависит от степени насыщения воды кислородом: чем выше степень насыщения, тем меньше скорость абсорбции кислорода из атмосферы. При перенасыщении поверхностного слоя воды кислородом процесс абсорбции кислорода из атмосферы практически прекращается. Перенасыщенный кислородом поверхностный слой воды, образующийся в процессе фотосинтезирующей аэрации синезелеными водорослями, препятствует абсорбции кислорода из атмосферы и мешает фотосинтезу в нижележащих слоях воды.
Пространственные экспедиционные исследования показали, что в солнечную и безветренную погоду на значительной части акватории Куйбышевского водохранилища образовывалась перенасыщенная кислородом тонкая поверх-
ностная пленка («кислородная пленка»), которая характеризовалась существенной пространственной неоднородностью как по длине, так и по ширине водоема. Самые большие площади «кислородная пленка» занимала в средней и нижней части водохранилища, а также на мелководном левобережье и в заливах. Очевидно, что роль и значение «кислородной пленки» в формировании кислородного режима Куйбышевского водохранилища зависит от продолжительности ее существования, а также от ее размеров на акватории водохранилища. В аномальном 2010 г. площадь покрытия водохранилища «кислородной пленкой» в июле составила 10-15 %, в августе она возросла до 20-30 %.
Проведенные на Куйбышевском водохранилище исследования показывают, что увеличение температуры воды и интенсификация процесса массового развития синезеленых водорослей становятся существенным негативным фактором формирования кислородного режима в период летней межени. Продолжительность и интенсивность процесса массового развития водорослей во многом зависят от таких гидрометеорологических параметров, как температура воздуха, количество штилевых и солнечных дней. Таким образом, в условиях глобального потепления климата проблемы усиления процесса массового развития синезеленых водорослей и ухудшения качества воды водохранилища, включая кислородный режим, будут только обостряться.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По итогам исследования сезонной изменчивости содержания растворенного кислорода в воде Куйбышевского водохранилища можно сделать следующие выводы. За многолетний период наблюдений (2001-2020 гг.) средние годовые концентрации растворенного кислорода в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища менялись незначительно: средняя концентрация -9,5±0,3 мгО/дм3, наибольшая - 10,3±0,3 мг/дм3, наименьшая - 9,0±0,3 мг/дм3.
За двадцатилетний период наблюдений размах средних месячных колебаний кислорода составил от 4,1±0,2 до 14,2±0,5 мг/дм3. Содержание растворенного кислорода характеризовалось ярко выраженной сезонной изменчивостью. Сезонная изменчивость включает четыре периода (I, II, III и IV), которые отличаются разной направленностью процессов формирования кислородного режима в водной массе водохранилища. В периодах I и III концентрация растворенного кислорода увеличивается, в периодах II и IV уменьшается.
Минимальные концентрации растворенного кислорода наблюдались в июле-августе во время массового развития синезеленых водорослей. В жаркие маловодные годы концентрация кислорода уменьшалась до критических значений (менее 5,0 мг/дм3), что не соответствует нормативным требованиям. Массовое развитие синезеленых водорослей на Куйбышевском водохранилище становится существенным фактором формирования кислородного режима в период летней межени. При штилевых условиях на значительной части акватории водохранилища наблюдается перенасыщение кислородом тонкого поверхностного слоя воды. «Кислородная пленка» сдерживает поступление кислорода из атмосферы в воду на значительной части акватории водохранилища.
В жаркие маловодные годы резко увеличивается негативное влияние массового развития синезеленых водорослей на формирование кислородного режима в водной массе Куйбышевского водохранилища. В условиях роста биогенной нагрузки и глобального потепления климата будут возникать риски использования водохранилища для питьевого водоснабжения, рыбного хозяйства и рекреации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вуглинский В.С. Водные ресурсы и водный баланс крупных водохранилищ СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1992. 223 с.
2. Алекин O.A. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 443 с.
3. Баранов И. В. Термический и гидрохимический режим Волги и Куйбышевского водохранилища в 1955-1957 гг. // Труды Татарского отделения Всесоюзного научно-исследовательского озерного и речного рыбного хозяйства. 1958. Вып. 8. С. 32-68.
4. Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы формирования кислородного режима водоемов. М.: Наука, 1988. 168 с.
5. Быковский В.И. Характеристики движения воды и размножение водорослей // Гидробиологический журнал. 1984. Т. 20. № 4. С. 39-44.
6. Волга и ее жизнь / отв. ред. Ф.Д. Морудхай-Болтовский. Л.: Наука. 1978. 350 с.
7. Гусева К.А. Цветение воды, его причины, прогноз и меры борьбы с ним // Труды Всесоюзного гидробиологического общества. 1952. Т. 4. С. 3-92.
8. Гусева Н.Н. Газовый режим Куйбышевского водохранилища в подледный период 1957-1958 и 1958-1959 гг. // Бюллетень Института биологии водохранилищ. 1961. № 1. С. 53-56.
9. Даценко Ю.С. Эвтрофирование водохранилищ: гидролого-гидрохимические аспекты. М.: ГЕОС, 2007. 252 с.
10. Дебольский В.К., Григорьева И.Л., Комиссаров А.Б., Корчагина Я.П., Хрусталева Л.И., Чекмарева Е.А. Современная гидрохимическая характеристика реки Волга и ее водохранилищ // Вода: химия и экология. 2010. № 11. С. 2-12.
11. Зенин А.А. Гидрохимия Волги и ее водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 260 с.
12. Кременецкая Е.Р. Оценка скорости потребления кислорода в толще воды Можайского и Иваньковского водохранилищ // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. № 3. С. 310-317.
13. Куйбышевское водохранилище / отв. ред. А. В. Монаков. Л.: Наука, 1983. 214 с.
14. Куйбышевское водохранилище / отв. ред. Г.С. Розенберг, Л.А. Выхристюк. Тольятти: Институт экологии Волжского бассейна РАН, 2008. 123 с.
15. Лазарева В.И., Степанова И.Э., Цветков А.И. и др. Кислородный режим водохранилищ Волги и Камы в период потепления климата: последствия для зоопланктона зообентоса // Труды ИБВВ РАН. 2018. Вып. 81(84). С. 47-84. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0005.
16. Литвинов А.С., Законнова А.В. Термический режим Рыбинского водохранилища при глобальном потеплении // Метеорология и гидрология. 2012. № 9. С. 91-96.
17. Селезнева А.В., Селезнев В.А., Беспалова К.В. Массовое развитие водорослей на водохранилищах р. Волги в условиях маловодья // Поволжский экологический журнал. 2014. № 1. С. 88-96.
18. Сиренко Л.А., Гавриленко М.Я. «Цветение» воды и эвтрофирование. Киев: Наукова думка, 1978. 232 с.
19. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. М. ГЕОС, 1998. 277 с.
20. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР: Куйбышевское и Саратовское водохранилища / под ред. В.А. Знаменского, В.М. Гейтенко. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 269 с.
21. Селезнев В.А., Селезнева А.В. Содержание хлоридных ионов в воде реки Волга // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. География, Геоэкология. 2021. № 4. С. 34-41. DOI: 10.17308/geo.2021.4/3748.
22. Seleznev V.A., Bespalova K.V., Selezneva A.V. Seasonal Variability of Phosphate Content in the Volga Water Under Conditions of Anthropogenic Eutrophication of Reservoirs // Journal of Water
Chemistry and Technology. 2018. Vol. 40. No. 5. P. 307-311.
23. Петряхина Е.В., Селезнев В.А. Влияние недельного режима регулирования водного стока Волги на массовое развитие фитопланктона // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2016. Т. 25. № 1. С. 170-175.
24. Герасимова Н.А. Фитопланктон Саратовского и Волгоградского водохранилищ. Тольятти, 1996. 200 с.
25. Никитин О.В., Латыпова, В.З., Степанова Н.Ю. Мониторинг цианобактериальных токсинов в водных объектах Республики Татарстан (2011-2016 гг.) // Мат-лы межд. научно-практ. конф. «Глобальное распространение процессов антропогенного эвтрофирования водных объектов: проблемы и пути решения». Казань: ОТ Принт, 2017. С. 51-62.
26. Селезнева А.В., Беспалова К.В., Селезнев В.А. Формирование качества воды волжских водохранилищ при аномальных погодных условиях // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2013. № 5. С. 4-14. DOI: 10.35567/1999-4508-2013-5-1.
27. Селезнева А.В., Беспалова К.В., Селезнев В.А. Оценка сезонной изменчивости качества воды в поверхностном источнике питьевого водоснабжения // Градостроительство и архитектура. 2018. Т. 8. № 2(31). С. 20-26.
REFERENCES
1. Vuglinsky V. S. Water resources and water balance of large reservoirs of the USSR. L.: Gidrometeoizdat, 1992. 223 p. (in Russ.).
2. Alekin O. A. Fundamentals of hydrochemistry. L.: Gidrometeoizdat, 1970. 443 p. (in Russ.).
3. Baranov I. V. Thermal and hydro/chemical regime of the Volga and the Kuibyshev reservoir in 1955-1957. Proceedings of the Tatar branch of the All-Union Research Lake and River Fisheries. 1958. Iss. 8. P. 32-68. (in Russ.).
4. Brekhovskikh VF Hydro/physical factors of the formation of the oxygen regime of reservoirs. M.: Nauka, 1988. 168 p. (in Russ.).
5. Bykovsky V.I., Characteristics of water movement and algae reproduction, Gidrobiologicheskiy zhurnal [Hydro/biological Journal]. 1984. Vol. 20. No. 4. P. 39-44 (in Russ.).
6. Volga and its life. Otv. ed. F.D. Morudkhai-Boltovsky. L.: Science. 1978. 350 p. (in Russ.).
7. Guseva K. A. Water bloom, its causes, forecast and measures to combat it. Trudy Vsesoyuznogo gidrobiologicheskogo obshchestva [Proceedings of the All-Union Hydro/biological Society]. 1952. Vol. 4. S. 3-92 (in Russ.).
8. Guseva N. N. Gas regime of the Kuibyshev reservoir during the ice period 1957-1958 and 19581959. Bulleten Instituta biologiyi odokhranilishch [Bulletin of the Institute of Reservoir Biology]. 1961. No. 1. P. 53-56 (in Russ.).
9. Datsenko Y. S. Eutrophication of reservoirs: hydrological and hydro/chemical aspects. M.: GEOS, 2007. 252 p. (in Russ.).
10. Debolsky V. K., Grigorieva I. L., Komissarov A. B., Korchagina Ya. P., Khrustaleva L. I., Chekmareva E. A. Modern hydro/chemical characteristics of the Volga River and its reservoirs. Voda: khimiya i ekologiya [Water: chemistry and ecology]. 2010. No. 11. P. 2-12 (in Russ.).
11. Zenin A. A. Hydrochemistry of the Volga and its reservoirs. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1965. 260 p. (in Russ.).
12. Kremenetskaya, E.R., Estimation of the rate of oxygen consumption in the water column of the Mozhaisk and Ivankovo reservoirs. Vodniye resursy [Water Resource]. 2007. Vol. 34. No. 3. P. 310-317 (in Russ.).
13. Kuibyshev reservoir / Ed. ed. A. V. Monakov. L.: Nauka, 1983. 214 p. (in Russ.).
14. Kuibyshev reservoir (scientific and information guide) / Ed. G. S. Rozenberg, L. A. Vykhristyuk. Togliatti: Institute of Ecology of the Volga Basin RAS, 2008. 123 p. (in Russ.).
15. Lazareva V.I., Stepanova I.E., Tsvetkov A.I., et al., Oxygen regime of the Volga and Kama reservoirs during climate warming: implications for zooplankton of zoobenthos. Trudy IBVV RAN [Proceedings of the RAC IBVV]. 2018. Iss. 81 (84). Pp. 47-84. DOI: 10.24411/0320-35572018-1-0005 (in Russ.).
16. Litvinov A. S., Zakonnova A. V. Thermal regime of the Rybinsk reservoir under global warming. Meteorologiya i gidrologiya [Meteorology and Hydrology]. 2012. No. 9. P. 91-96 (in Russ.).
17. Selezneva A. V., Seleznev V. A., Bespalova K. V. Mass development of algae in the reservoirs of the Volga River in conditions of low water. Povolzhskiy ekologicheskiy zhurnal [Volga ecological journal]. 2014. No. 1. P. 88-96 (in Russ.).
18. Sirenko L. A., Gavrilenko M. Y. "Flowering" of water and eutrophication. Kyiv: Naukova Dumka, 1978. 232 p.
19. Edelstein K.K. Reservoirs of Russia: environmental problems, ways to solve them. M.: GEOS, 1998. 277 p.
20. Hydrometeorological Regime of Lakes and Reservoirs of the USSR: Kuibyshev and Saratov Reservoirs, Ed. V.A. Znamensky, V. M. Geytenko. L.: Gidrometeoizdat, 1978. 269 p. (in Russ.).
21. Seleznev V.A., Selezneva A.V. The content of chloride ions in the water of the Volga River. Bulleten Voronezhskogogosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Voronezh State University]. Ser. Geography, Geoecology. 2021. No. 4. P. 34-41. DOI: 10.17308/geo.2021.4/3748 (in Russ.).
22. Seleznev V. A., Bespalova K. V., Selezneva A. V. Seasonal Variability of Phosphate Content in the Volga Water Under Conditions of Anthropogenic Eutrophication of Reservoirs. Journal of Water Chemistry and Technology. 2018. Vol. 40. No. 5. P. 307-311. [in Eng.].
23. Petryakhina E. V., Seleznev V. A. Influence of the weekly regime of regulation of the Volga water flow on the mass development of phytoplankton. Samarskaya Luka: problems of regional and global ecology. 2016. Vol. 25. No. 1. S. 170-175 (in Russ.).
24. Gerasimova N.A. Phytoplankton of the Saratov and Volgograd reservoirs. Togliatti, 1996. 200 p. (in Russ.).
25. Nikitin O. V., Latypova, V. Z., Stepanova N. Y. Monitoring of cyanobacteria toxins in water bodies of the Republic of Tatarstan (2011-2016). Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsiyi "Globalnoye rasprostraneniyeprotsessov evtrofirovaniya vodnykh obyektov: problemy i resheniya" [Proceedings of the international scientific-practical conference "Global spread of processes of anthropogenic eutrophication of water objects: problems and solutions"]. Kazan: printing house "OT Print". 2017. Pp. 51-62 (in Russ.).
26. Selezneva A. V., Bespalova K. V., Seleznev V. A. Formation of water quality in the Volga reservoirs under abnormal weather conditions. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2013. No. 5. P. 4-14 (in Russ.).
27. Selezneva A. V., Bespalova K. V., Seleznev V. A. Estimation of seasonal variability of water quality in a surface source of drinking water supply. Grodostroitelstvo i arkhitekturs [Urban planning and architecture]. 2018. Vol. 8. No. 2(31). Pp. 20-26 (in Russ.).
Сведения об авторах:
Селезнева Ксения Владимировна, канд. хим. наук, научный сотрудник, лаборатория мониторинга водных объектов, ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук» - филиал Самарского федерального исследовательского центра Российской академии наук; заместитель директора по научной и методической работе, Институт химии и энергетики ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»; Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; ORCID: 0000-0002-9212- 7708; e-mail: kvbespalova@yandex.ru
Селезнева Александра Васильевна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, лаборатория мониторинга водных объектов, ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук» - филиал Самарского федерального исследовательского центра Российской академии наук, Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; ORCID:0000-0002-9386-999X; e-mail: aleks.selezneva@mail.ru
Селезнев Владимир Анатольевич, д-р техн. наук, канд. геогр. наук, профессор, главный научный сотрудник, лаборатория мониторинга водных объектов ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук» - филиал Самарского федерального исследовательского центра Российской академии наук, Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; ORCID: 0000-0002-0321-7614; e-mail: seleznev53@mail.ru
About authors:
Selezneva Ksenia Vladimirovna, Candidate of Chemical Sciences, Researcher, Laboratory for Water Bodies Monitoring, Institute of the Volga basin ecology, Russian Academy of Sciences - a branch of the Sam Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Deputy Director for Scientific and Methodological Work of the Institute of Chemistry and Energy of Togliatti State University. ORCID: 0000-0002-9212-7708, e-mail: kvbespalova@yandex.ru
Selezneva Alexandra Vasilievna, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Laboratory for Water Bodies Monitoring, Institute of the Volga basin ecology, Russian Academy of Sciences - a branch of the Sam Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. ORCID:0000-0002-9386-999X, e-mail: aleks.selezneva@mail.ru
Seleznev Vladimir Anatolyevich, Doctor of Technical Sciences, Candidate of Geographical Sciences, Professor, Chief Researcher, Laboratory for Water Bodies Monitoring of the Institute of Economics and Water Resources of the Russian Academy of Sciences - a branch of the Sam Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. ORCID: 0000-0002-0321-7614, e-mail: seleznev53@mail.ru
