ДИНАМИКА ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА НАРВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА (ПО ДАННЫМ 2011-2019 ГГ.) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Труды Карельского научного центра РАН № 9. 2020. С.65-71 DOI: 10.17076/lim1300

УДК 504

ДИНАМИКА ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА НАРВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА (ПО ДАННЫМ 2011 -2019 гг.)

Г. Т. Фрумин12, М. А. Мурадлы2

1 Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена, Санкт-Петербург, Россия

2 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия

Рассмотрена динамика трофического статуса российской части акватории Нарвского водохранилища за период 2011-2019 гг. Для оценки трофического статуса использованы следующие показатели: индекс трофического состояния, концентрация хлорофилла а, концентрация фосфора общего. Установлено, что в обозначенный период водоем характеризуется как эвтрофный.

Ключевые слова: Нарвское водохранилище; эвтрофирование; трофический статус.

G. T. Frumin, M. A. Muradly. DYNAMICS OF THE TROPHIC STATUS OF THE NARVA STORAGE RESERVOIR (2011-2019)

The dynamics of the trophic status of the Narva storage reservoir for the period 2011-2019 was studied. The following indicators were used to assess the trophic status: trophic status index (ITS), chlorophyll a concentration, and total phosphorus concentration. It was found that for the period 2011-2018 the trophic status of the Russian part of the Narva reservoir was characterized as eutrophic.

Keywords: Narva storage reservoir; eutrophication; trophic status.

Введение

Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО началась активная деятельность, связанная с мониторингом внутренних вод и контролем за эвтрофированием водоемов земного шара. Эта работа проводится в разных странах и на разных континентах [Дмитриев, Фрумин, 2004, с. 103]. Актуальность проблемы в РФ обусловлена наличием в стране множества трансграничных (международных) водных объектов [Тимофеева, Фрумин,

2017]. К настоящему времени разработано более двадцати критериев оценки трофического статуса водных объектов [Дмитриев, 1995].

Использование индексов трофии, среди которых наиболее популярным в последние годы является индекс Карлсона, не сняло проблему оценки трофности водной экосистемы. Так, например, при изучении глубоких водохранилищ США исследователи использовали 22 индекса (как химических, так и биологических), и одно из водохранилищ Техаса было отнесено ими к классу олиготрофных по 11 индексам, к классу мезотрофных по 4 индексам и к классу

эвтрофных по 7 индексам [Хендерсон-Селлерс, Маркленд, 1990].

Таким образом, вероятность ошибочной идентификации трофического статуса водоема может быть очень высокой в случаях использования: малоинформативных индексов; одного-единственного индекса трофического состояния; индекса или группы индексов, адаптированных для условий одной климатической зоны, для определения трофности водоемов в другой климатической зоне; индексов, полученных для водных экосистем циклического типа, для оценки водных экосистем транзитного типа, а также в случаях проведения идентификации трофического статуса водоема по натурным исследованиям одного года (сезона, съемки).

Цель исследования - оценка динамики трофического статуса российской части акватории Нарвского водохранилища за период 2011-2019 гг. на основе применения трех различных показателей трофического статуса.

Материалы и методы

Нарвское водохранилище - трансграничный водный объект на реке Нарве и ее притоке Плюссе, расположенный на границе РФ и Эстонии (табл. 1, рис. 1). Регулярный гидрохимический мониторинг российской части акватории Нарвского водохранилища проводит ФГУ «Балтводхоз».

В данной работе трофический статус Нарвского водохранилища оценивали, используя три показателя: индекс трофического состояния (Index of trophical state, ITS), концентрация хлорофилла а, концентрация общего фосфора.

ITS рассчитан по следующей формуле [Алексеев и др., 2007; Булгаков, Шишкин, 2008]:

/75 =

£ Р",

-+а

£[°2 100—^-

(1)

где рН1 - рН, измеренный за определенный период; [02] - кислород, в процентах насыщения; п - количество измерений; а - коэффициент, определяемый по формуле:

„ £(рн,-[су)

£[су2

£[су2

(2)

/-1 п

Для упрощения расчетов по формулам (1) и (2) была разработана специальная компьютерная программа.

Уровень трофического статуса оценивали, используя классификацию, приведенную в табл. 2 [Фрумин, Хуан, 2012].

Результаты расчетов ITS, концентрации хлорофилла a и фосфора общего представлены в табл. 3.

Результаты и обсуждение

В последней строке табл. 3 приведены усредненные за период 2011-2019 гг. показатели, характеризующие трофический статус Нарвского водохранилища (9,2 для ITS, 9,6 мкг/дм3 для хлорофилла a и 46,1 мкг/дм3 для фосфора общего). Сопоставление этих величин с критериями трофического статуса (табл. 2) приводит к заключению, что российскую часть акватории Нарвского водохранилища можно идентифицировать как эвтрофный водоем.

Таблица 1. Морфометрические характеристики Нарвского водохранилища Table 1. Morphometric description of the Narva storage reservoir

Площадь 191,4 км2

Area 191.4 km2

Объем 0,365 км3

Volume 0.365 km3

Полезная емкость 91 млн м3

Useful capacity 91 million m3

Распределение акватории между странами Россия >150 км2, Эстония 40 км2

Distribution of water area between the countries Russia > 150 km2, Estonia 40 km2

Нормальный подпорный уровень 25 м

Normal retaining level 25 m

Наибольшая глубина 15 м

Greatest depth 15 m

Средняя глубина 1,8 м

Average depth 1.8 m

Площадь бассейна 55 848 км2

Pool area 55,848 km2

Рис. 1. Карта-схема Нарвского водохранилища Fig. 1. Schematic map of the Narva reservoir

Таблица 2. Классификация критериев трофического статуса Table 2. Classification of criteria for trophic status

Трофический статус Trophic status ITS Хлорофилл а, мкг/дм3 Chlorophyll a, |g/dm3 Фосфор общий, мкг/дм3 Total phosphorus, цд/dm3

Ультраолиготрофный Ultraoligotrophic 6,3 ± 0,3 < 1 < 4

Олиготрофный Oligotrophic 7,0 ± 0,3 < 2,5 < 10 < 10

Мезотрофный Mesotrophic 7,7 ± 0,3 2,5-8 10-35

Эвтрофный Eutrophic > 8,3 ± 0,3 8-25 35-100

Гипертрофный Hypertrophic - > 25 > 100

Таблица 3. Динамика показателей, характеризующих трофический статус Нарвского водохранилища Table 3. Dynamics of the indicators characterizing the trophic status of the Narva reservoir

Год Year ITS Хлорофилл а, мкг/дм3 Chlorophyll a, |g /dm3 Фосфор общий, мкг/дм3 Total phosphorus, |g /dm3

2011 8,4 19,6 50

2012 9,0 7,3 36

2013 8,8 10,1 45

2014 9,4 13,3 55

2015 9,5 4,9 30

2016 9,9 7,3 49

2017 10,2 5,9 64

2018 9,4 10,3 45

2019 8,3 7,3 41

Среднее Average 9,2 9,6 46,1

Высокий трофический статус Нарвского водохранилища обусловлен значительными концентрациями фосфора общего, то есть лими-танта первичной продукции. К примеру, средняя концентрация фосфора общего за период 2011-2019 гг. составляла 46,1 мкг/дм3.

Исследование зависимости трофического уровня водоема от количества поступающего в него фосфора привело к развитию так называемой нагрузочной концепции, в основу которой положено представление о существовании количественной связи между величиной поступления фосфора и реакцией водоема. Результатом этого, как правило, является изменение положения водоема на трофической шкале. Р. Фолленвай-дером [Уо!!е^е1Ьег, 1968] предложено первое приближение величины фосфорной нагрузки (ЬКР, г Р/м2-год), позволяющей водоему оставаться в олиготрофном состоянии, в расчете которой в качестве стандартного параметра используется только средняя глубина водоема (НСР, м):

ЬКР = 0,025 ■ НСР06. (3)

Результаты расчетов по формуле (3) для основных водоемов Псковско-Чудского озерного комплекса приведены в табл. 4.

Их следует рассматривать как ориентировочные, поскольку они получены без учета времени водообмена водного объекта, независимости биогенной нагрузки от поступления биогенных элементов (БЭ) из донных отложений и седиментационного фактора, учитывающего удержание БЭ в водоеме.

Для расчетов поступления (экспорта) фосфора общего в Нарвское водохранилище со стоком реки Нарвы использована следующая формула:

Q = 0,0315 ■ Ссг-Ясг,

(4)

где О - поступление, т/год, ССГ - среднегодовая концентрация биогенного элемента, мкг/дм3, ЯСГ - среднегодовой расход воды, м3/с.

Результаты расчетов приведены на рис. 2.

Как следует из данных, приведенных на рис. 2, в среднем за период с 2011 по 2019 г. экспорт фосфора общего в Нарвское водохранилище со стоком реки Нарвы (428 т/год) превышал критическую фосфорную нагрузку (6,9 т/год) в 62 раза. Это означает, что необходимо принимать срочные управленческие решения по снижению фосфорной нагрузки на водохранилище со стоком рек и с водосбора.

Таблица 4. Критические нагрузки фосфором общим на основные водоемы Псковско-Чудского озерного комплекса (ориентировочно)

Table 4. Critical loads of total phosphorus on the main water bodies of the Pskov-Chudskoye lake complex (roughly)

Водоем Water body Средняя глубина, H, м Average depth, H, m Площадь, км2 Area, km2 г Р/м2год LKP, g P/m2 year Критическая нагрузка, т/год Critical load, tons/year

Псковское озеро Pskov lake 3,0 709 0,048 34

Чудское озеро Lake Peipsi 8,3 2611 0,089 232

Нарвское водохранилище Narva reservoir 1,8 191,4 0,036 6,9

900

H 700

о ^

x 500

о

н

a 300 100

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

год

Рис. 2. Динамика поступления фосфора общего в Нарвское водохранилище со стоком реки Нарвы

Fig. 2. Dynamics of total phosphorus input into the Narva reservoir with the flow of the Narva River

874

479 459 458

3 259 4 3 3 7 83 7 8

2 2 7

год

Рис. 3. Динамика величин ITS. Здесь и далее: прямая линия - линия тренда Fig. 3. Dynamics of ITS values. Hereinafter: the straight line - trend line

год

Рис. 4. Динамика концентраций хлорофилла а Fig. 4. Dynamics of chlorophyll a concentrations

год

Рис. 5. Динамика концентраций фосфора общего Fig. 5. Dynamics of total phosphorus concentrations

Дополнительно к вышеизложенному определены линейные тренды ITS, концентраций хлорофилла a и фосфора общего за период 2011-2019 гг. (рис. 3-5). Для качественной оценки трендов использована шкала Чеддока [Макарова, Трофимец, 2002].

На рис. 3-5 приведены коэффициенты корреляции и линии трендов. Согласно шкале Чеддока эти данные могут быть интерпретированы следующим образом: для ITS тренд «слабый» положительный, для хлорофилла a - «заметный» отрицательный, для фосфора общего -«слабый» положительный.

Выводы

1. В среднем за период 2011-2019 гг. российская акватория Нарвского водохранилища характеризуется как эвтрофный водоем. Высокий трофический статус водохранилища обусловлен высокими концентрациями фосфора общего, то есть лимитанта первичной продукции.

2. За период 2011-2019 гг. для индекса трофического состояния этого водоема зафиксирован «слабый» положительный тренд, для концентраций хлорофилла а - «заметный» отри-

цательный тренд, для концентраций фосфора общего - «слабый» положительный тренд.

3. Необходимы срочные управленческие решения по снижению фосфорной нагрузки на Нарвское водохранилище со стоком рек и с водосбора.

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № FSZU-2020-0009.

Литература

Алексеев М. И., Цветкова Л. И., Копина Г. И. Методика расчетов региональных нормативов экологического благополучия водных объектов (Невской губы и восточной части Финского залива). СПб.: СПбГАСУ, 2007.

Булгаков И. П., Шишкин А. И. Применение нового показателя трофического состояния водоема для решения инженерных задач // Сб. тезисов IX Меж-

дунар. экологического форума «День Балтийского моря». СПб.: Диалог, 2008. С. 495-496.

Дмитриев В. В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб.: СПбГУ, 1995. 215 с.

Дмитриев В. В., Фрумин Г. Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. СПб.: СПбГУ, РГГМУ, 2004. 294 с.

Макарова Н. В., Трофимец В. Я. Статистика в Excel. М.: Финансы и статистика, 2002. 368 с.

Тимофеева Л. А., Фрумин Г. Т. Трансграничные водные объекты. СПб.: СпецЛит, 2017. 159 с.

Фрумин Г. Т., ХуанЖ.-Ж. Вероятностная оценка трофического статуса водных объектов. Методическое пособие. СПб.: РГГМУ, 2012. 28 с.

Хендерсон-СеллерсБ., МарклендХ. Р. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 280 с.

VollenweiderR. A. Scientific fundamentals of the eutrophication of lakes and flowing water with particular reference to nitrogen and phosphorus as factors in eutrophication // Tech. Rep. Organiz. Econom. Cooper. Devel. 1968. Vol. 27. 159 p.

Поступила в редакцию 20.08.2020

References

AlekseevM. I., Tsvetkova L. I., Kopina G. I. Meto-dika raschetov regional'nykh normativov ekologiche-skogo blagopoluchiya vodnykh ob'ektov (Nevskoi guby i vostochnoi chasti Finskogo zaliva) [A method for calculating regional standards for the ecological well-being of water bodies (Neva Bay and the eastern part of the Gulf of Finland)]. St. Petersburg: SPbGASU, 2007.

Bulgakov I. P., Shishkin A. I. Primenenie novogo pokazatelya troficheskogo sostoyaniya vodoema dlya resheniya inzhenernykh zadach [Application of a new indicator of the trophic state of a reservoir for solving engineering problems]. Sb. tezisovIXMezhdunar. ekol. foruma «Den' Baltiiskogo morya» [Proceed. IX Int. environ. forum Baltic Sea Day]. St. Petersburg: Dialog, 2008. P. 495-496.

Dmitriev V. V. Diagnostika i modelirovanie vodnykh ekosistem [Diagnostics and modeling of aquatic ecosystems]. St. Petersburg: SPbGU, 1995. 215 p.

Dmitriev V. V., Frumin G. T. Ekologicheskoe normiro-vanie i ustoichivost' prirodnykh system [Environmental regulation and sustainability of natural systems]. St. Petersburg: SPbGU, RGGMU, 2004. 294 p.

Frumin G. T., Khuan Zh.-Zh. Veroyatnostnaya otsen-ka troficheskogo statusa vodnykh ob'ektov. Metod. posobie [Probabilistic assessment of the trophic status of water bodies. Guidelines]. St. Petersburg: RGGMU, 2012. 28 p.

Khenderson-Sellers B., Marklend Kh. R. Umirayu-shchie ozera. Prichiny i kontrol' antropogennogo evtrofi-rovaniya [Dying lakes. Causes and regulation of man-induced eutrophication]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1990. 280 p.

Makarova N. V., Trofimets V. Ya. Statistika v Excel [Excel statistics]. Moscow: Finansy i statistika, 2002. 368 p.

Timofeeva L. A., Frumin G. T. Transgranichnye vod-nye ob'ekty [Transboundary water bodies]. St. Petersburg: SpetsLit, 2017. 159 p.

VollenweiderR. A. Scientific fundamentals of the eutrophication of lakes and flowing water with particular reference to nitrogen and phosphorus as factors in eutrophication // Tech. Rep. Organiz. Econom. Cooper. Devel. 1968. Vol. 27. 159 p.

Received August 20, 2020

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

CONTRIBUTORS:

Фрумин Григорий Тевелевич

профессор Департамента науки, технологий и инноваций, д. х. н., проф.

Российский государственный гидрометеорологический университет

Воронежская ул., 79, Санкт-Петербург, Россия, 192007

профессор, ведущий научный сотрудник каф. физической географии и природопользования факультета географии Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена

наб. р. Мойки, 48, Санкт-Петербург, Россия, 191186 эл. почта: gfrumin@mail.ru тел.: +79111274098

Frumin, Grigory

Russian State Hydrometeorological University 79 Voronezhkaya St., 192007 St. Petersburg, Russia

Herzen State Pedagogical University of Russia 48 Nab. R. Moiki, 191186 St. Petersburg, Russia e-mail: gfrumin@mail.ru tel.: +79111274098

Мурадлы Метин Азерчинович

магистр II курса кафедры геоэкологии, природопользования и экологической безопасности

Российский государственный гидрометеорологический университет

Воронежская ул., 79, Санкт-Петербург, Россия, 192007 эл. почта: metin.muradlu.97@mail.ru

Muradly, Metin

Russian State Hydrometeorological University 79 Voronezhkaya St., 192007 St. Petersburg, Russia e-mail: metin.muradlu.97@mail.ru