CC BY
67
УДК 556.55 ББК 26.226.6
С.А. Кондратьев, М.М. Мельник, М.В. Шмакова, В.И. Уличев
диффузная биогеннная нагрузка на нудско-псковскоЕ озеро с российской ВОДОСБОРНОЙ ТЕРРИТОРИИ в современных условиях*
Проведен анализ условий формирования природной и антропогенной составляющих диффузной биогенной нагрузки на Чудско-Псковское озеро на современном этапе. Полученные результаты свидетельствуют о том, что не только тип подстилающей поверхности является определяющим фактором выноса биогенных веществ с рассматриваемых водосборов. На настоящий момент отсутствует информация обо всех источниках биогенного загрязнения водотоков бассейна Чудско-Псковского озера. С использованием методов математического моделирования дана количественная оценка нагрузки от известных источников с учетом параметров распределения годовых значений. Основной рекомендацией по снижению диффузной биогенной нагрузки на Чудско-Псковское озеро с Российской части водосбора является оптимизация сельскохозяйственной деятельности, обеспечивающая максимальное использование органических удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур с последующим выведением содержащихся в них биогенных веществ из биогенного баланса водосбора.
Ключевые слова:
биогенные вещества, водосбор, диффузная нагрузка, озеро, сток, детерминировано-сто-хастическая модель.
Чудско-Псковское озеро (Peipsi-Pihk-va - эст.) - четвертый по величине пресноводный водоемом Европы и крупнейший Европейский трансграничный водоемом, расположенный на границе между Россией и Эстонией. Общая площадь озера составляет 3555 км2, из них 1985 км2 относится к России и 1570 км2 - к Эстонии. Водоем делится на три основные части: Чудское озеро с площадью акватории 2611 км2, Псковское озеро - 708 км2 и соединяющее их Теплое озеро - 236 км2. Общий объем водной массы Чудско-Псковского озера составляет 25.07 км3, из них объем водной массы Чудского озера - 21,79 км3, Псковского озера -0,60 км3, Теплого озера - 2,68 км3. Средняя глубина Чудского озера - 8,3 м, Псковского озера - 3.8 м, Теплого озера - 2,5 м [1; 5]. Схема водоема приведена на рис. 1.
Общая водосборная площадь составляет ~44000 км2, из которой 26% находится в Эстонии, 67% - в России и 7% - в Латвии. Наиболее крупные притоки - р. Великая с площадью водосбора 25200 км2 или 58% общей площади водосбора и р. Эмайыги -9740 км2 или 22% общей площади. Значимыми притоками озера на российской части водосбора также являются реки Желча, Пиуза и Гдовка с площадями водосбора 1200, 800 и 150 км2 соответственно.
Ранее изучение формирования биогенной нагрузки на Чудско-Псковское озеро, которая определяет его эвтрофирование,
проводилось в рамках проекта ТАСК «План управления водными ресурсами бассейна реки Нарва и Чудского озера» [4] и гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 08-05-13533-офи_ц «Разработка комплекса моделей для оценки изменений качества воды крупного пресноводного водоема под влиянием гидрометеорологических факторов и хозяйственной деятельности на водосборе (на примере Чудско-Псковского озера)» [1]. В соответствии с результатами указанных исследований биогенная нагрузка на Чудско-Псковское озеро в начале прошлого десятилетия оценивалась в 654 т Р год-1 и 7672 т N год-1. При этом наиболее значимый вклад в фосфорную нагрузку, определяющую скорость антропогенного эвтрофирования водоема, вносят продукты животноводства, составляющие 54% от значения нагрузки на водосбор. При этом природная (фоновая) компонента нагрузки составляет 36% - для фосфора и 45% - для азота от значений суммарной нагрузки на озеро [3].
Целью настоящей работы является анализ условий формирования природной и антропогенной составляющих диффузной биогенной нагрузки на Чудско-Псковское озеро на современном этапе, ее количественная оценка (с учетом параметров распределения годовых значений) и выявление основных направлений снижения.
* Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке НЛБВУ (федеральный контракт № 23/12200 от 17.12.2012) и РФФИ (грант № 12-05-00702-а).
О
о
О
3
ю О
Рис.1. Схема Чудско-Псковского озера.
Таблица 1 165
характеристика рек на водосборной территории Чудско-Псковского озера,
обследованных в 2013 г.
№ п/п название реки Площадь бассейна, кв. км Среднегодовой расход воды, м3/сек Район впадения реки
название водного объекта Берег (правый или левый) Расстояние от устья, км
1 Черма 32,8 оз. Чудское Устьевая часть
2 Гдовка 150 1,7 оз. Чудское Устьевая часть
3 Желча 1200 11,4 оз. Чудское Устьевая часть
4 Черная 530 оз. Псковское Устьевая часть
5 Лочкина р. Черная ЛБ 6
6 Толба 199 оз. Псковское Устьевая часть
7 Обдех оз. Псковское Устьевая часть
8 Пимжа 800 5,9 оз. Псковское Устьевая часть
9 Пскова 1000 9,8 р.Великая ПБ 17
10 Череха 3230 25,5 р.Великая ПБ 24
11 Кебь 694 5,6 р. Череха ПБ 8
12 Кудеб 760 7,7 р.Великая ЛБ 58
13 Вяда 1160 р.Великая ЛБ 82
14 Кухва 828 р.Великая ЛБ 85
15 Утроя 3000 17,9 р.Великая ЛБ 87
16 Щепец р.Великая ПБ 90
17 Синяя 2040 4,7 р.Великая ЛБ 129
18 Исса 1580 6,2 р.Великая ЛБ 178
19 Алоль 860 8,5 р.Великая ПБ 323
В 2013 г. для оценки диффузной биогенной нагрузки с Российской части водосбора на Чудско-Псковское озеро выполнено обследование 19 рек, характеристики которых приведены в табл. 1. Выполнены измерения расходов воды и содержания в ней азота (№ N4^, N0^, N0^, N общ), фосфора (Р: Р , Р . ) и железа (Ее . ). Сделана попыт-
мин. общ/ у общу ^
ка проанализировать взаимосвязь между измеренными значениями концентраций примеси и структурой подстилающей поверхности водосборов. На рис. 2 представлены зависимости содержания Ееобщ от процента площади водосбора, занятого болотами, лесами и сельскохозяйственными территориями. Полученные результаты достаточно наглядно иллюстрируют увеличение концентрации Ееобщ с увеличением доли площадей болот на водосборе, что имеет ясное логическое объяснение. Обилие гумуса и дефицит кислорода способствуют выносу железа. Отсутствие гумуса и наличие кислорода на полевых участках водосбора приводят к уменьшению выноса железа с увеличением доли полевых
площадей на водосборе. Промежуточное положение занимает кривая, аппроксимирующая вынос железа в зависимости от лесных площадей. Из приведенных материалов можно сделать вывод о том, что именно соотношение различных типов подстилающей поверхности определяет вынос Ееобщ с рассмотренных водосборов.
Принципиально иная картина наблюдается при анализе факторов, формиру-
Рис. 2. Взаимосвязь между измеренными значениями концентраций Реобщ и структурой подстилающей поверхности
водосборов.
о а. О
о
(Ц
О
\о О
Рис. 3. Взаимосвязь между измеренными значениями концентраций Nобщ и структурой подстилающей поверхности
ров.
Рис. 4. Взаимосвязь между измеренными значениями концентраций Робщ и структурой подстилающей поверхности водосборов.
ющих вынос азота и фосфора (рис. 3 и 4). Из представленных графиков следует, что в рассматриваемом случае вовсе не тип подстилающей поверхности является определяющим фактором выноса биогенных веществ.
Подтверждением сказанного выше являются и данные, приведенные на рис. 5. Здесь представлено сравнение выноса азота и фосфора с водосборов рек Желча и Утроя. Принципиальное различие между ними состоит в том, что водосбор Желчи более чем на 70% покрыт лесом, а водосбор Утрои - более чем на 70% полем. Существующие представления об эмиссии биогенных веществ для лесных и полевых участков говорят о том, что концентрации азота и фосфора в стоке Утрои должны существенно превышать значения концентраций в Желче. Однако результаты измерений 2013 г. показывают обратное.
На основании изложенного можно заключить, что на настоящий момент отсут-
ствует информация обо всех источниках загрязнения водотоков Российской части бассейна Чудс-ко-Псковского озера. Не только тип подстилающей поверхности определяет содержание азота и фосфора в стоке рек, а последующий мониторинг диффузной нагрузки необходимо сопровождать более детальной идентификацией источников нагрузки.
При решении задачи количественной оценки биогенной нагрузки с использованием методов математического моделирования корректно говорить только о нагрузке, сформированной известными источниками загрязнения. В качестве инструмента для такой оценки использовалась детерминировано-сто-хастическая модель (ДСМ) стока и биогенной нагрузки, разработанная в Институте озероведения РАН [2].
ДС моделирование стока и биогенной нагрузки на водные объекты основано на использовании гидрологической модели, модели биогенной нагрузки и стохастической модели погоды (СМП), которая обеспечивает метеорологическими рядами гидрологическую модель (рис. 6).
В рамках ДС моделирования стока и биогенной нагрузки решаются следующие задачи:
1. Оценка параметров СМП для наблюденных рядов метеорологических элементов (среднесуточная температура воздуха, суточные слои осадков).
2. Имитационное моделирование рядов метеорологических элементов продолжительной длины.
3. Пересчет суточных значений метеорологических элементов в среднемесячные значения.
4. Моделирование месячных (годовых) слоев стока по гидрологической модели.
5. Моделирование годовых значений биогенной нагрузки (фосфор, азот) по модели биогенной нагрузки.
6. Оценка параметров распределения годовых значений биогенной нагрузки -среднего и среднего квадратичного отклонения.
Итогом ДС моделирования в данном случае является набор кривых распределения годовых значений стока и биогенной нагрузки.
Рис. 5. Сравнение концентраций общего азота и общего фосфора в стоке водосборов
рек Желча и Утроя.
2. Сказанное приводит как к снижению урожайности, так и к уменьшению выноса с сельхозугодий за счет снижения содержания биогенных веществ в почвенных водах. В пределе - это фоновый вынос для данного типа почв. Однако процесс происходит не быстро, значительный запас биогенных веществ в почвах сельхозугодий позволит сохраняться современному уровню биогенной эмиссии еще достаточно долго.
3. В качестве органических удобрений на поля вносится не более 20% биогенных веществ, входящих в состав образующегося на фермах органического вещества, соответствующего численности домашних животных. Куда девается оставшаяся часть потенциальных органических удобрений - неизвестно. Часть из них наверняка принимает участие в формировании биогенной нагрузки. Однако официальной, точной и достоверной информации об этом нет, поэтому и соответствующих расчетов не может быть проведено.
Таким образом, при выполнении расчетов диффузной биогенной нагрузки на озеро можно не учитывать влияние внесения удобрений как минеральных, так и орга- 1 нических, поскольку оно компенсируется ^ высоким уровнем выноса с урожаем.
В проведенном моделировании прини- § мают участие такие источники биогенной а.
Рис. 6. Схема ДС моделирования стока и биогенной нагрузки.
При выполнении расчетов следует обратить особое внимание на информацию о биогенном балансе сельскохозяйственных водосборов Псковской области, приведенном в табл. 2. Анализ данных таблицы позволяет сделать следующие интересные выводы:
1. Начиная с 90-х годов прошлого века вынос биогенных веществ с выращенным урожаем существенно превосходит пополнение запасов питательных веществ в действующем слое почвы за счет внесения удобрений.
Таблица 2
Элементы биогенного баланса сельскохозяйственных водосборов Псковской области
1990 г. 2000 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.
Внесено NPK, тыс. т д.в.: 50.5 8.2 3.9 3.6 3.8 4.2 4.2 4.0
- с минеральными удобрениями 14.3 1.7 0.6 0.6 0.8 1.0 1.2 1.0
- с органическими удобрениями 36.2 6.5 3.3 3.0 3.0 3.2 3.0 3.0
Вынос NPK с урожаем с/х культур, тыс. т д.в. 44.5 15.1 13.8 11.0 14.0 12.5 15.1 12.5
о
нагрузки, как атмосферные выпадения, природная эмиссия из почв, эмиссия биогенных веществ с различных типом подстилающей поверхности. Результаты расчетов стока и выноса биогенных веществ с водосбора представлены в табл. 3. Здесь приведены параметры распределения рассчитанных годовых слоев стока с водосбора, средние значения нагрузки общим фосфором и общим азотом (400 т Р/год, 8549 т ЭДгод) и ее природной составляющей (269 т Р/год, 3573 т ЭДгод) на Чудско-Псков-ское озеро с Российской части водосбора, их средние квадратичные отклонения, а также значения, рассчитанные для многоводных (обеспеченностью 1 и 5%) и маловодных (обеспеченностью 95 и 99%) лет. Нетрудно видеть, что изменчивость стока в зависимости от метеорологических параметров более существенна по сравнению с изменчивостью биогенной нагрузки. Сказанное объясняется тем, что не все источники нагрузки напрямую зависят от водности года.
Следует помнить, что расчеты, результаты которых представлены в табл. 3, выполнены для известных источников нагрузки без учета влияния минеральных и органических удобрений, которые с избытком компенсируются выносом биогенных веществ с выращенным урожаем. К этим значениям (400 т Р/год, 8549 т ЭДгод) должна приближаться реальная нагрузка
при минимизации объемов неизвестных на настоящий момент поступлений азота и фосфора.
Не оцениваемые прежде значения биогенной нагрузки разной обеспеченности ориентированы, прежде всего, на решение задач, связанных с планированием мероприятий по снижению поступления биогенных веществ в Чудско-Псковского озера из различных источников, расположенных на территориях, неконтролируемых системой государственного мониторинга. Наличие информации не только о средних значения нагрузки, но и о нагрузке различной обеспеченности, позволяет существенно расширить область применения математических методов при регламентировании хозяйственной деятельности на водосборе, приводящей к интенсивному поступлению биогенных веществ в водные объекты и вызывающей их антропогенное эвтрофирование.
Полученные в ходе исследования результаты свидетельствуют о том, что не только тип подстилающей поверхности является определяющим фактором выноса биогенных веществ с рассматриваемых водосборов. На настоящий момент отсутствует информация о всех источниках биогенного загрязнения водотоков бассейна Чудско-Псковского озера.
О наличии неизвестных на настоящий момент факторов, воздействующих
Таблица3
Параметры распределения рассчитанных годовых слоев стока Q, диффузной биогенной нагрузки LPdif и LNdif на водосбор Чудско-Псковского озера с российской части водосбора, природные составляющей фосфорной и азотной нагрузки LPnat и LNnat: среднее - X среднее квадратичное отклонение - о, значения обеспеченностью 1, 5, 25, 75, 95 и 99%
X о Х1% Х5% X 25% Х75% X л95% X л99%
д, м3/с 242,41 57,02 375 336 281 204 148 110
LPdif, т/год 400 81,52 590 535 455 345 265 210
LРnat, т/год 269 50,67 387 353 303 235 185 151
LNdif, т/год 8549 2013 13239 11870 9898 7200 5228 3859
LNnat, т/год 3573 841 5533 4961 4136 3010 2185 1613
о.
ее о О
3
ю О
* при получении дополнительных результатов натурных измерений параметры расчетов могут быть уточнены.
на вынос биогенных веществ с водосбора Чудско-Псковского, говорит тот факт, что образование азота и фосфора на животноводческих предприятиях и птицефабриках намного превосходит нагрузку на водосбор за счет внесения органических удобрений. Можно предположить, что именно эта разница между произведенными и внесенными на поля органическими удобрениями формирует значительную часть биогенной нагрузки. И именно этот фактор формирования нагрузки следует рассматривать в будущих работах наиболее подробно.
Принимая во внимание нормативы HELCOM [6] по внесению фосфора и азота на поля с органическими удобрениями (25 кг Р га-1год-1 и 170 кг N га-1год-1) можно оценить верхний предел внесения биогенных веществ на площадь сельхоз угодий водосбора в 23296 т Р год-1 и 158 418 т N год-1 Приведенные цифры более чем на порядок превосходят значения Робщ и Кобщ, которые образуются за год на фермах и птицефабриках, расположенных на водосборе Чудско-Псковского озера (1760 т Р год-1 и 7240 т N год-1). Из сказанного можно заключить, что сельское хозяйство Псковской области имеет большие возможности по использованию удобрений без нарушения рекомендаций HELCOM. В этом случае все образовавшееся на водосборе органическое вещество может быть использовано в сельском хозяйстве Псковской области при соблюдении соответствующих технологий внесения удобрений.
Также следует, что основной рекомендацией по снижению диффузной биоген-
ной нагрузки на Чудско-Псковское озеро с Российской части водосбора является оптимизация сельскохозяйственной деятельности, обеспечивающая максимальное использование органических удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур с последующим выведением содержащихся в них биогенных веществ из биогенного баланса водосбора. В этом случае биогенная нагрузка на Чудско-Псков-ское озеро с Российской части водосбора не будет превышать расчетных значений в среднем составляющих 400 т Р год-1 и 8549 т N год-1.
Кроме того, на каждом конкретном водосборе, характеризующимся высоким уровнем выноса биогенных веществ, следует принимать локальные инженерные меры по снижению нагрузки на озеро в соответствии с конкретными особенностями объекта. К их числу относятся:
- создание водоохранных зон и прибрежных полос;
- возобновление лесных массивов на водосборном бассейне;
- торфование и землевание почв водосбора;
- вселение высшей водной растительности, ее последующее выкашивание и удаление;
- устройство прудов в гидрографической сети и копаний на пойменных землях;
- обвалование водоемов и отдельных участков гидрографической сети;
- отвод сточных вод от водоема;
- известкование почв, лесных массивов, гидрографической сети.
Список литературы:
[1] Кондратьев С.А., Голосов С.Д, Зверев И.С., Рябченко В.А., Дворников А.Ю. Моделирование абиотических процессов в системе водосбор-водоем (на примере Чудско-Псковского озера). - СПб.: Нестор-История, 2010. - 116 с.
[2] Кондратьев С.А. Шмакова М.В. Уличев В.И. Детерминировано-стохастическое моделирование стока и биогенной нагрузки на водные объекты (на примере Финского залива). - СПб.: Нестор-История, 2013. - 36 с.
[3] Кондратьев С.А., Мельник М.М., Шмакова М.В., Маркова Е.Г., Ульянова Т.Ю. Метод расчета внешней нагрузки на Чудско-Псковское озеро с Российской территории водосбора // Общество. Среда. Развитие. - 2010, № 1. - С. 183-197.
[4] План управления водными ресурсами бассейна реки Нарва и Чудского озера. Отчет по проекту TACIS. - Псков, Изд-во ПГПИ, 2006. - 286 с.
[5] Nutrient loads to Lake Peipsi. Environmental monitoring of Lake Peipsi/Chudskoe 1998-1999. - Norwegian Centre for Soil and Environmental Research, Jordforsk Report N4/01, 1999. - 66 p.
[6] HELCOM Baltic Sea Action Plan. - Helsinki: Helsinki Commission Publ., 2007. - 103 p.
О
