CC BY
48УДК 556.555:[470.322+282.247.361.34] DOI: 10.24412/cl-36359-2021-216-222
ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЫРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗМЕНЕНИЯ
HYDROECOLOGICAL CONDITION OF MATYRSKOE RESERVOIR: MODERN CONDITION AND PERSPECTIVES OF CHANGE
М.Г. Гречушникова1,2, М.Б. Киреева1 M.G. Grechushnikova1,2, М.Б. Киреева1
1МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия 2ИВП РАН, Москва, Россия
1MSU, Moscow, Russia 2IWP RAS, Moscow, Russia
E-mail: allavis@mail.ru
Аннотация. Матырское водохранилище - крупнейший водоем Липецкой области, осуществляющий сезонное регулирование стока, при этом оно имеет достаточно низкий коэффициент водообмена (3,2). Влияние изменяющегося климата и водного режима рек Донского бассейна (сокращение притока воды в половодье) может влиять на режим водоема через усиление стратификации толщи воды, развитие аноксидных условий в придонных горизонтах и вторичное загрязнение водоема при обменных процессах с дном.
Ключевые слова: водохранилище, водообмен, сток воды, растворенный кислород, метан, биогенные вещества.
Abstract. Matyrskoe reservoir is the largest reservoir in the Lipetsk region that provides seasonal flow control, however, it has a rather low water exchange coefficient (3.2). The influence of the changing climate and water regime of the rivers in the Don basin (reduction of water inflow in flood period) can affect the reservoir regime through increased stratification of the water column, the development of anoxic conditions in the bottom horizons, and secondary pollution of the reservoir during exchange processes with sediments.
Keywords: reservoir, water exchange, water flow, dissolved oxygen, methane, nutrients.
Матырское водохранилище, созданное в 1976 году, расположено в пределах Липецкой области на р. Матыре и является ее крупнейшим водным объектом. Целью его создания была необходимость обеспечения Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) и основных промышленных предприятий. В настоящее время НЛМК использует замкнутый цикл водоснабжения. Также его воды планировалось использовать при орошении земель сельскохозяйственного назначения, для нужд рыбного хозяйства и в целях рекреации [3].
В морфологическом отношении Матырское водохранилище состоит из 3 плёсов: наиболее глубоководного и широкого Казинского (80% площади водохранилища с максимальной глубиной 11,5 м), Грязинского и Таволжанского, соединенных протоками (рисунок 1). Глубина наиболее мелководного из плёсов - Грязинского составляет 0,5 м и представляет собой затопленную пойму р. Матыра. С юга в него впадает крупнейший приток -р. Байгора. Изменения уровня Матырского водохранилища имеют относительно большую амплитуду - до 2,5 м.
■А'У-.
/1 + К
/
фЛ 1 ^ -
'ЯипецшЬ^. в 1
*«
' <АЯн: ■
Хг Т ЩС ь" 1ЙГ. 'МК __
■1 Эг ■ V ■■ * * ¿Л
Рисунок 1. Казинский (1), Грязинский (2) и Таволжанский (3) плесы Матырского водохранилища; римскими цифрами указаны пункты отбора проб.
Химический состав воды Матырского водохранилища хорошо изучен, периодически производится отбор проб воды, который показывает лишь эпизодическое превышение ПДК (например, по нефтепродуктам [9]), которое не может являться причиной заморных явлений, отражающих его современное неблагополучное гидроэкологическое состояние [10]. Донные отложения (ДО) и их роль в экосистеме водоема изучены в меньшей степени, хотя обменные процессы с дном имеют первостепенное значение как автохтонного источника биогенных элементов (фосфора), из-за избытка которого происходит цветение водоема и снижение его рекреационной и хозяйственной ценности. Матырское водохранилище в настоящее время по среднему уровню ИЗВ относится к III классу качества. Исследование проб воды, отобранных в марте 2016 г., по 26 показателям продемонстрировали отсутствие превышений допустимых значений [1]. Основная проблема водохранилища - обширные зоны мелководья, занимающие до 28% общей площади из-за того, что уровень водоема держат ниже НПУ, поскольку при наполнении водоема до проектной отметки 109 м абс. наблюдалось неблагоприятное подтопление прилегающих территорий. Обширные мелководья с одной стороны хорошо аэрируются при перемешивании, с другой - являются причиной зарастания влаголюбивой растительностью. Прогревание в теплый период мелководных участков водохранилища создает благоприятные условия для развития синезеленых водорослей. Заросли макрофитов значительно уменьшают скорость течения воды, что способствует осаждению влекомых и взвешенных наносов и поддерживает эвтрофный статус водоема даже в условиях небольшой антропогенной нагрузки. Процесс эвтрофирования водных объектов прослеживается в водоемах различных климатических зон. Потепление климата активизирует жизнедеятельность гидроценозов, приводит к изменениям гидрологического и гидрохимического режима водоемов, что усиливает эти процессы. По сравнению с базовым периодом 1958-1977 г. в 19782016 г. отмечается увеличение среднегодовой температуры воздуха на 0,75-1оС, Температура за холодный период (с ноября по март) выросла на 1-1,5оС, за теплый на 0,5-0,75оС. Среднее
количество дней с отрицательной температурой воздуха уменьшилось на 5-10%, на 20-40% увеличилось количество оттепелей [6].
Анализ водного режима р. Матыра - главного притока водохранилища проведен с помощью пакета GrWat [7]. Увеличение годовых объемов стока воды для бассейна Матыры за последние 40 лет составляет около 13% и статистически достоверно по критерию Спирмана (положительный тренд). По росту среднего (критерий Стьюдента) оно незначимо (рисунок 2 а), что, скорее всего, связано с маловодьем последних лет. За период 2007-2017 гг., годовой сток рек в бассейне Дона, включая его верховья (в том числе и бассейн р. Матыра), существенно снизился. По сравнению с периодом 1978-2006 гг. на г/с «Крутое» наблюдалось сокращение годового стока на 20-25%. Ярче всего снижение общего объема проявилось в нелимитирующий период, то есть во время весеннего половодья (рисунок 2 б). Объем половодного стока сократился почти вдвое с конца 1970-х годов к концу 2010-х: с 0,1 км3 до 0,04 км3. В отдельные годы величина стока половодья оказывалась менее 0,02 км3. При этом наблюдаемый рост объемов стока зимней и летней межени на 0,02 и 0,05 км3 (рисунок 2 в, г) не скомпенсировал в полной мере сокращение стока половодья.
Объем годового стока
МанЬ'Квгдопгс: 7 ж й 6£4, р ■ 0.50К2 Титп-Сен: | - 0 00052. р = 0 09557
Объем половодья имеете с объемом фунтовой составляющее стока
Мвнм-Кандалп: г = 1 №3 р ■ 0.091 М Тейп-Сен: \ * -0.00113, р ■ О.
а)
НМ 19» МОЙ »1«
б)
Объем стока мм пен межени
Маин-Ксмцалл = а Эв221
Тейп-Сен I 00026. р = 0.0357Т
Объем стока летнем межени
Манм-Хччдапл г • 2 Л2. р ■ Тейл-Сен1 * ■ 0 001Э Т. р * 0.
ги» и) [ )
Рисунок 2. Объемы годового (а), половодного (б), меженного зимнего (в) и летнего (г) стока р. Матыра на г/с «Крутое» за 1978-2017 годы: красной линией показан линейный тренд (сплошной - достоверный, пунктир - статистически недостоверный), синей линией показан сглаженный ряд (окно осреднения 5 лет).
Отдельного внимания заслуживает динамика характеристик самого половодья. Помимо сокращения его суммарного объема в последние 40 лет существенно снизились максимальные расходы половодья, что имеет огромный смысл с экологической точки зрения. Статистически достоверный тренд выявлен по всем критериям, расходы снизились со 100-150 м3/с до 5080 м3/с, то есть практически в два раза. Высокие расходы в многоводный период обеспечивают «промывку» русловой сети и поддерживают ее удовлетворительное состояние, в том числе и за счет интенсификации процессов аэробного окисления примесей, находящихся на дне [5]. При снижении максимальных расходов в водотоках интенсифицируются процессы зарастания.
Этому же способствует снижение продолжительности многоводной фазы. Для реки Матыра за последние 40 лет продолжительность половодья снизилась с 35-30 дней в среднем в конце 1970-х гг. до 10-15 дней в конце 2010-х гг. (рисунок 3 г). Кроме того, наблюдается сдвиг половодья в сторону более ранних сроков. Так, максимальный расход, который раньше наблюдался в третьей декаде марта - первой декаде апреля, сейчас чаще всего случается в конце февраля - начале марта (рисунок 3 б). Еще сильнее сдвинулось окончание половодья (рисунок 3 в): если в конце 1970-х реки переходили на грунтовое питание в конце апреля -начале мая, теперь это происходит в начале апреля, а иногда и в конце марта. Таким образом, возросла как продолжительность вегетационного периода, так и продолжительность периода с низким водообменом для Матырского водохранилища.
МаКС4*МаЛЬНЫИ расход ¿Я НОДОХО!ЯНСТВ«>1№И год
Манн-Кендэпп: £ *2 424. р ■ С.С15Э5 Тейп-Сен I ■ 2 37И5.Р ■ о
Длта материального раскола за водохозяйственный гад
Маш Качшпл-1 - О Т58 р г 0 44В22 ТейЛ-Сш: ■ - -0.1+В35. р = О.ООТВ!
а)
и * •
V ' *. V
б)
Дата окончания половодья
Манк-Кендшлп г = 1 691 р = 0 09092 Тейл1-С#н: I ■ 0 44231. р ■ 0.
Продолжительность половодья
М1ш-К|ьшпг1 1 - 2 И р - О 00Э45
Т»йЛ-С4ч I = -0 2?ТИ. р - О
•л_'
в) г)
Рисунок 3. Изменение максимального расхода (а) и его даты (б), даты окончания (в) и продолжительности (г) половодья на р. Матыра на г/с «Крутое».
Итак, на реке Матыра, как и на других реках Донского бассейна [6] согласно данным наблюдений, в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к деградации весеннего половодья как фазы водного режима, происходящая на фоне роста зимних температур и увеличения числа оттепелей. Прогноз изменения режима разнотипных водохранилищ при помощи математического моделирования [2] показал возможность увеличения внутригодовой амплитуды температуры поверхности воды, продолжительности периода открытой воды, продолжительности периода прямой стратификации, сокращения амплитуды колебаний уровня воды. В случае потепления опасный фактор для «цветения» водоема (особенно для водохранилищ с обширными мелководьями, как Матырского) -температура воды в придонном слое. При снижении уровня наполнения прогревание придонных слоев может вызвать более раннее наступление фазы всплытия клеток цианобактерий. В летний период возможно увеличение объема и продолжительности наличия зон аноксии; учащение заморных явлений при длительной антициклонической погоде и прекращении газообмена между эпилимнионом и гиполимнионом. Общие выводы будут
справедливы и для Матырского водохранилища, так как в его бассейне наблюдаются изменения как климатических, так и стоковых характеристик.
31.01.2018 г. было произведено обследование Казинского плеса водохранилища (рисунки 1, 4). По данным зондирования в воде наблюдалась обратная стратификация с увеличением температуры воды ко дну до 3,9 и 4,3оС на станциях I и II соответственно. Станция у плотины лучше аэрирована, что связано с близостью к гидроузлу.
Т,Ог
О 5 10 15
Н, м
Рисунок 4. Вертикальное распределение температуры воды и растворенного кислорода по данным изменений 31.01.2019 г. на станциях I и II.
Кислород является одним из важнейших растворенных газов, постоянно присутствующих в поверхностных водах. Источниками кислорода в воде являются фотосинтез и инвазия из атмосферы. В поверхностных водах водохранилища (под слоем льда толщиной 50 см) содержание растворенного кислорода составляло 7,5-12,5 мг/л. Поступление кислорода в зимнее время из атмосферы прекращается в связи с образованием ледяного покрова, но возможен активный подледный фотосинтез, особенно если на обширных открытых пространствах снег сдувается. Содержание растворенных форм фосфора в водах водохранилища - не менее 0,4 мг/л, что превосходит значение ПДК в 2 раза. Содержание метана в поверхностных и придонных водах Матырского водохранилища составило 1 и 9 мкл/л соответственно, что весьма невелико и указывает на отсутствие антропогенного загрязнения как, например, в тот же период в Воронежском водохранилище (440-880 мкл/л у дна).
Донные отложения (ДО) - важная часть водной экосистемы. На границе раздела «вода -донные отложения» постоянно происходит обмен взвешенными и растворенными веществами. Помимо того, что донные отложения аккумулируют вещества, в них непрерывно происходят химические и биологические процессы. В слабопроточных водоёмах донные отложения оказывают значительное влияние на зону гиполимниона. Основные факторы, определяющие характер и интенсивность процессов, протекающих на границе раздела «вода - донные отложения» - это режим растворенного кислорода, температура, химический состав придонной воды, характеристики самих донных отложений. На станциях I и II были отобраны пробы грунта и определены скорости потребления кислорода (по поглощению кислорода колонкой грунта за время экспозиции) и выделения метана грунтами (таблица 1). Гигроскопическая влажность грунта, характеризующая свежесть осадка в период экспедиции была небольшая (4,3%), что вполне очевидно для зимнего периода, а содержание органического вещества
составило 23 и 21% на станциях I и II соответственно, что говорит о большой продуктивности водной экосистемы. Илы на станциях отбора имели тонкодисперсный состав без запаха. Оливковый цвет на станции у плотины говорит об относительно хорошей аэрации, что может быть связано с близостью водосбросных сооружений, а черный цвет ила на станции II свидетельствует о регулярном наличии бескислородных условий.
Таблица 1.
Выход метана из грунта (мгС/м2 сут), деструкция ОВ в грунте (мгС/м2 сут),
температура (°С) и содержание кислорода (мг/л) в придонной воде 31.01.2020 г.
Станция Выход СН4 Общая Д Аэробная Д Анаэробная Д Т О2 Описание грунта
Сокол (I) 0 797 69 728 3,9 1,4 однородный оливковый тонкодисперсный
Казинка (II) 1,5 897 235 662 4,3 1,2 однородный черный тонкодисперсный
В воде и грунтах непрерывно протекают процессы разложения ОВ, на 99% оно разрушается под воздействием живого населения (бактериобентоса). Скорость потребления кислорода донными отложениями не зависит от количества ОВ в донных отложениях. Интенсивность разложения ОВ в илах определяется не валовым его содержанием, а количеством легкоусвояемых соединений [4]. Скорость микробиологических процессов зависит не столько от количества ОВ, сколько от его качества и происхождения. Процессы распада ОВ в Матырском водохранилище идут интенсивно. Также для данного водохранилища характерен значительный вклад анаэробной деструкции органического вещества (до 0,73 гС/м2сут), что объясняется его малой проточностью, стратификацией и малым содержанием кислорода у дна. Скорость выделения метана из грунтов в водную толщу невелика, 0-1,5 мгС/м2сут, что говорит об отсутствии значительного антропогенного загрязнения, но в летний период эти значения могут возрастать с увеличением температуры придонной воды. Аналогом можно рассматривать верхний и средний районы Можайского водохранилища со схожим интервалом глубин. В марте 2018 г. по данным аналогичного эксперимента получено, что скорость выделения метана из грунтов в водную толщу составила 0,9-1,4 мгС/м2сут. Продолжая аналогию с ранее изученными водохранилищами [8] на летний период, можно спрогнозировать для Матырского водохранилища увеличение диффузионного выхода метана из донных отложений до 20-100 мгС/м2сут, а выход фосфора 10-60 мг/м2сут.
Выводы. Сокращение проточности водоема из-за наблюдающейся перестройки внутригодового режима притока, включая регулирование стока небольшими водохранилищами в бассейне Матыры, созданных преимущественно для целей орошения, а значит уменьшающих годовой сток, способствует увеличению плотностного расслоения, интенсификации обменных процессов с дном, автохтонной нагрузке биогенными элементами и вспышкам цветения. Несмотря на отсутствие значительного антропогенного загрязнения и относительно благополучное состояние водных масс Матырского водохранилища, климатические изменения, влекущие за собой существенные изменения режима внутригодового притока воды, изменения гидрологического режима водохранилища (в частности увеличение продолжительности бескислородных условий) требуют принятия решений по обеспечению предотвращения неблагоприятных явлений, таких как избыточное цветение и заморы (аэрация, частичное удаление донных отложений).
Исследования водного режима р. Матыра выполнены в рамках гранта РНФ 19-7710032.
Список литературы
1. Аничкина Н.В. Экологическое состояние Матырского водохранилища и его влияние на вмещающий ландшафт Окско-Донской низменности // Успехи современного естествознания. 2017. № 10. С. 60-64.
2. Гречушникова М.Г. Изменения режима водохранилищ на ЕТР согласно климатическим прогнозам. Saarbruken, LAP, 2015. 93 c.
3. Мишон В.М. Некоторые вопросы гидрологии Воронежского водохранилища. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 2000. 296 с.
4. Романенко В.И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического вещества во внутренних водоёмах. Л.: Наука, 1985. 295 с.
5. Суйкова Н.В. Повышение эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.16. Москва, 2008. 120 с.
6. Kharlamov M., Kireeva M. Drought dynamics in the East European Plain for the period 1980-2018 // E3S Web of Conferences, EDP Sciences (France). 2020. V. 163. P. 02004.
7. Kireeva M.B., Rets E.P., Frolova N.L., Samsonov T.E., Povalishnikova E.S., Entin A.L., Durmanov I.N., Ivanov A.M. Occasional Floods On The Rivers Of Russian Plain In The 20Th -21St Centuries. // GEOGRAPHY, ENVIRONMENT, SUSTAINABILITY. 2020. 13(2). P. 84-95.
8. Lomov V., Grechushnikova M., Kazancev V., Repina I. Reasons and patterns of spatiotemporal variability of methane emission from the mozhaysk reservoir in summer period // E3S Web of Conferences. IV Vinogradov Conference. 2020. Vol. 163. P. 03010.
9. Содержание нефтепродуктов в Матырском водохранилище превышает норму в 1,8 раза // GOROD48.RU: ежедн. интернет-изд. 2018. 05 июн. URL: https://gorod48.ru/news/948387/ (дата обращения 15.10.2020).
10. Причины замора рыбы в Матырском водохранилище выясняют специалисты // LIPETSKTIME.RU: телерадиокомпания. 2016. 01 авг. URL: http://lipetsktime.ru/news/ekologiya/prichiny_zamora_ryby_v_matyrskom_vodokhranilishche_vyyasn yayut_spetsialisty/ (дата обращения 15.10.2020).
