CC BY
23УДК556.169: 614.77 DOI: 10.35567/19994508_2022_4_1
Каскад водохранилищ и его роль в регулировании твердого стока и управлении качеством воды
Нижней Волги
B.В. Законнов1 И Э, З.В. Волкова2 ©, А.В. Законнова1 D
ISI zak@ibiw.ru
1ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», пос. Борок, Ярославская обл., Россия
2 ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Актуальность. Водохранилища Волги как накопители донных отложений и загрязняющих веществ являются природными регуляторами качества воды. На основании седиментационных балансов исследована наносоудерживающая способность (62-96 %) водохранилищ Волги и выявлена их роль как аккумуляторов твердого стока, поступающего из различных источников. Методы. Работа выполнена по стандартным методикам, апробированным на верхневолжских водохранилищах. Качество воды оценено по многолетним показателям твердого стока, экотоксикологическое состояние -c использованием личинок хирономид и системы антиоксидной защиты бентосоядных рыб. Результаты. Установлено, что речные участки - нижние бьефы гидроузлов, а также Нижняя Волга от Волгограда до Астрахани (530 км), Чебоксарское и Саратовское водохранилища с высокими коэффициентами водообмена и особенностями режимов эксплуатации ГЭС являются природными регуляторами качества воды. Показано, что система водохранилищ, в большей степени Волгоградского, замыкающего каскад, оказывает регулирующее влияние на водный сток и, соответственно, на динамику мутности и качество воды Нижней Волги. По результатам комплексного анализа водохранилища Волги по степени ухудшения экотоксического состояния среды обитания рыб-бентофагов находятся в ряду: Нижняя Волга > Волгоградское = Саратовское > Куйбышевское > Чебоксарское > Горьковское.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА.- каскад водохранилищ, седиментационные балансы, наносоудерживающая способность, твердый сток, качество воды, Нижняя Волга.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания № 121051100104-6, плановой темы № г/р АААА-А18-118012690123-4 и приоритетного проекта «Оздоровление Волги» по теме № г/р АААА-А18-118052590015-9.
Памяти Вадима Феодосьевича Бреховских, доктора технических наук, автора более 140 научных работ по проблемам формирования качества воды в реках, водохранилищах и морях посвящается.
Для цитирования: Законнов В.В., Волкова З.В., Законнова А.В. Каскад водохранилищ и его роль в регулировании твердого стока и управлении качеством воды Нижней Волги // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 4.
C. 5-21. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_1.
Дата поступления 07.06.2022.
© Законнов В.В., Волкова З.В., Законнова А.В., 2G22
Cascade of Reservoirs and its Role in Solids Flow Regulation and Water Quality Management in the Lower Volga River
Viktor V. Zakonnov1 ISI (E, Zinaida V. Volkova2 , Агina V.Zakonnova1 E)
_ISI_zak@ibiw.ru
1 Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzskiyi Raion, Yaroslavl Oblast, Russia.
Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia ABSTRACT
Relevance. The reservoirs of the Volga as reservoirs of bottom sediments and pollutants are natural regulators of water quality. Based on the sedimentation balances the nanoretaining capability (62-96 %) of the Volga reservoirs has been studied and their role as accumulators of the solids runoff entering from different sources has been determined. Mehtods. The work was performed according to standard methods tested on the Upper Volga reservoirs. Water quality was assessed by long-term indicators of solid runoff, the ecotoxicological state was assessed using chironomid larvae and the system of antioxidant protection of benthivorous fish. Results. Fine-dispersed (aleurite-pelite) fractions actively absorb pollutants determining their great importance in the functioning of aquatic ecosystems. River sections such as lower reaches of hydroelectric power stations as well as the Lower Volga from the city of Volgograd to the city of Astrakhan (530 km), Cheboksary and Saratov reservoirs with high coefficients of water exchange and specific features of the operating mode of hydroelectric power stations (HPS) are natural regulators of water quality. The flows of suspended matter through dams are cleaner than those that enter the water body as a result of their dilution, oxygen saturation, neutralization and sedimentation. It is shown that the system of reservoirs, to a greater extent the Volgograd Reservoir, closing the cascade, has a regulatory impact on the water flow and, accordingly, on the dynamics of turbidity and water quality in the Lower Volga. According to the results of the comprehensive analysis, the Volga reservoirs in respect to the degree of deterioration of the ecotoxic state of the environment of benthophagous fish are in a series: Lower Volga > Volgograd = Saratov > Kuibyshev > Cheboksary > Gorky.
Keywords: cascade of reservoirs, sedimentation balances, nonoretaining capability, solids flow, water quality, Lower Volga.
Financing: The work has been done within the framework of the state assignment No. 121051100104-6, scheduled theme no. g/r AAAA-A18-118012690123-4 and the "The Volga Enhancement" priority project on the topic No. g/r AAAA-A18-118052590015-9.
In memoriam of Vadim F. Brekhovskikh, Doctor of Technical Sciences, the author of over 40 scientific works devoted to the issues of rivers, reservoirs and seas water quality formation.
For citation: Zakonnov V.V., Volkova Z.V., Zakonnova A.V. Cascade of reservoirs and its role in solids flow regulation and water quality management in the Lower Volga River. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 4. P. 5-21. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_1.
Received 07.06.2022.
ВВЕДЕНИЕ
По данным Международной комиссии (|СОЬЭ) в мире насчитывается более 45 тыс. водохранилищ объемом свыше 3 млн м3 [1]. Выполняя свои основные функции - накопления пресной воды и регулирования водного стока, - они
задерживают транспортировку терригенного материала во внутренние и окраинные моря континентов, внося дисбаланс в круговорот вещества и энергии Мирового океана. Поэтому исследование седиментогенеза в водохранилищах может рассматриваться как самостоятельный раздел изучения осадочного вещества в верхнем слое литосферы Земли [2].
Донные осадки (ДО) - это минерально-органические природные образования, являющиеся средой обитания и пищевым объектом многочисленных гидробионтов, отражающие в своей гетеродисперсности и хемогенном составе все разнообразие внутриводоемных, бассейновых и планетарных гидрофизических и биогеохимических процессов, влияющих на функционирование пресноводных экосистем через взаимодействие между водой, седиментами и биотой.
Строительство крупных плотин на Волге началось с создания Верхневолжского водохранилища в 1843 г., но лишь спустя 100 лет, с 1937 по 1981 гг., было построено восемь гидроузлов, которые превратили Волгу в каскад водохранилищ комплексного назначения для осуществления многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования стока.
Сложные взаимодействия в водных экосистемах, вызванные проявлением абиотических и биотических факторов, характеризующиеся однонаправленными и стохастическими флуктуациями, невозможно представить без качественных и количественных показателей. Цепочка связей через круговорот вещества и энергии (водные балансы - седиментационные - биотические и информационные потоки), подкрепленная гидрофизическими и биогеохимическими оценками, становится инструментом в познании геоэкологических процессов в гидросфере [3].
В рамках проведенной работы исследованы закономерности формирования твердого стока на Нижней Волге, от Волгограда до Астрахани, а также их зависимость от аккумуляции наносов в Волгоградском водохранилище, сбросов воды через Волжский гидроузел и развития эрозионно-абразионных процессов. Как известно, на участках с повышенной проточностью происходит естественное самоочищение и улучшение качества воды в результате перемешивания стоковыми и ветровыми течениями, кислородной аэрации, нейтрализации и аккумуляции взвешенных наносов (ВН) в приплотинных участках (верхних бьефах) и дельте Волги. Сорбированные на взвесях загрязняющие элементы накапливаются на дне, выходя из круговорота веществ, или многократно в нем участвуют под действием абиотических и биотических процессов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
В статье обобщены материалы многолетних (мониторинговых) исследований осадкообразования в водохранилищах Волги с 1955 по 2006 гг., выполненных по единым методикам [4, 5]. Седиментационные балансы рассчитаны по результатам грунтовых съемок (от 2 до 6, через 10-15-20 лет) за период 1937 -2006 гг. [6]. В работе использованы многочисленные гидрометеорологические
данные и литературные источники, а также собственные наблюдения во время экспедиций, в т. ч. по Нижней Волге, с 2014 по 2020 гг. на судне «Академик Топчиев» с помощью датчиков портативных измерений YSI-85, YSI Pro ODO (YSI, 1по, USA) с замерами от поверхности до дна с интервалом 1 м (цветность, NTU, град, прозрачность, Z см, мутность, ВН и растворенный кислород, мг/л) во всех летних маршрутных рейсах.
Оценка качества воды и взвешенных наносов проводилась на основе определения гидро-физико-химических показателей и объема стока на стационаре Верхне-Лебяжье за период 1935-1980 гг. [7] и 1977-2014 гг. [8, 9], а донных осадков каскада от Твери до Астрахани с помощью методов мокрого рассева на электромагнитной просеивающей установке «Analysette-3» с насадкой прецизионных микросит до 5 мкм фирмы «Alfred Fritsh & CO» (Германия), химического анализа и биодиагностики [10-12].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Седиментационные балансы и осадконакопление
В лимнологии имеется богатый опыт составления балансов, в которых накопление веществ, в т. ч. химических элементов, определяется по разности приходных и расходных статей. В данной работе расчет осадконакопления выполнен методом (in situ) - прямого определения мощности осажденной толщи с ненарушенной структурой с помощью грунтовых трубок от маркирующих горизонтов - руслового песка, дерновины, размытой почвы и материнской породы. Получены материалы, позволившие замкнуть все статьи седиментационных балансов. Такой подход позволил оценить достоверность количественных характеристик отдельных источников и рассчитать невязку (от 1 до 25 %), которая возникает из-за ошибок определения отдельных статей или вследствие коротких рядов наблюдений. Это обстоятельство, а также «замкнутость» составленных балансов позволяют считать, что они достаточно верно отражают ход гидро- и биогеохимических процессов в рассматриваемых водоемах. Средние многолетние балансы взвешенных наносов представлены в табл. 1 [6].
Следует обратить внимание на близость величин абразионно-эрозионных процессов и осадконакопления. Являясь главным источником осадкообра-зующего материала (57-87 %), практически все наносы остаются в водоеме (62-96 %). Процесс седиментации - осаждение взвешенных минерально-органических частиц (80-90 %), биологической субстанции и химическое выпадение солей в осадок (10-20 %) - представляет собой не просто проявление физического закона гравитации, а сложный механизм образования нового вещества в природе, где наряду со взвешенными частицами (сестон) участвуют растворенные в воде поллютанты, поступившие с водосбора с промышленно-бытовыми и сельскохозяйственными стоками и атмосферными осадками [5, 13]. Тонкодисперсные речные алеврито-пелитовые взвеси и соответствующие продукты размыва ложа и берегов формируют глинисто-илистые отложения.
Таблица 1. Седиментационные балансы водохранилищ Волги, %
Table. 1. Sedimentation balances of the Volga reservoirs, %
В одохранилище Период, гг. Приход Расход
абразия, эрозия сток речных наносов продукция гидроби-онтов осадко накопление сброс
Иваньковское 1937-1990 63 30 7 70 30
Угличское 1940-1991 57 40 3 б2 38
Рыбинское 1941-1994 87 10 3 9б 4
Горьковское 1955-1999 65 32 3 84 1б
Чебоксарское 1981-2001 61 36 3 б3 37
Куйбышевское 1957-2002 85 14 1 9S S
Саратовское 1967-2006 67 32 1 б9 31
Волгоградское 1958-2000 73 26 1 80 20
Минералогический состав взвеси Волжско-Камского бассейна (Каспийского моря) представлен кварцем (10 %) и полевым шпатом (3 %), остальная доля (87 %) принадлежит глинистым минералам: иллит - 44 %, хлорит - 20 %, монтмориллонит - 36 % [14]. Наличие высокодисперсных минералов свидетельствует о сорбционных возможностях взвесей. В зависимости от гидродинамических условий, режима эксплуатации ГЭС и водообмена частицы накапливаются на дне и частично сбрасываются вниз по каскаду.
В расходной части балансов сброс взвесей через замыкающие гидроузлы находится в зависимости от доли накопившихся на дне наносов, которая определяет наносоудерживающую способность водохранилища.
Количество и состав взвесей в нижних бьефах - конечный итог смешения водных масс. Они отражают многообразие внутриводоемных, бассейновых, планетарных, климатических, гидродинамических, химических и биологических процессов, а также наносоудерживающую способность водохранилищ (чем меньше сброс, тем больше аккумуляция).
Течения в нижних бьефах плотин ведут себя как типичные речные потоки - размывают ложе и берега, формируют наносы в соответствии с расходами воды и их транспортирующими возможностями [10, 15]. Максимальные скорости течения отмечаются в затопленном русле, что приводит к образованию на дне песчано-галечно-каменистых наносов, скорость накопления которых превышает средние темпы седиментации по водохранилищу (табл. 2). По поперечному разрезу скорости течения уменьшаются к берегам, поэтому тонкодисперсные отложения накапливаются в прибрежье в заостровных пространствах [16].
Величины стоковых течений в незарегулированном речном участке Нижней Волги рассчитаны различными способами [10]. Так, скоростной режим по судовому ходу зависит от расходов воды через Волжский гидроузел и отметок
уровня на водомерных постах, которые составляют от 2 до 8 м относительно нуля графика. Средняя скорость при этом меняется слабо, по длине участка, соответственно, с 1,11 до 0,94 и с 1,69 до 1,45 м/с. Приведенные скорости характеризуют слой воды глубиной 4-5 м от ватерлинии для судов река-море1.
Таблица 2. Гидроморфометрические показатели речных участков (нижних бьефов гидроузлов)
Table. 2. Hydro/morphometric indicators of river sections (downstreams of hydroelectric facilities)
Водохранилище, участок F H ср P L K в 5
Иваньковское:
Тверь - Шоша 43 5,8 0,25 58 22,8 2,4 (1,6)
Угличское:
Дубна - Нерль 128 2,3 0,3 63 33,7 1,8 (1,4)
Рыбинское:
Углич - Глебово 74 5,4 0,4 73 28,8 6,0 (1,4)
Горьковское:
Рыбинск - Решма 285 5,3 1,5 300 22,2 1,9 (1,7)
Чебоксарское:
Городец - Фокино 294 2,7 0,8 170 62,0 3,9 (2,2)
Куйбышевское:
Новочебоксарск -Камское Устье 651 6,1 4,0 190 29,7 3,2 (2,5)
Набережные Челны -Рыбная Слобода 585 3,9 2,3 120 38,1 2,7 (2,5)
Саратовское:
Тольятти - Балаково 1833 7,3 13,4 350 18,5 2,9 (2,9)
Волгоградское:
Балаково - Саратов 666 6,2 4,1 160 63,2 4,7 (4,0)
Нижняя Волга:
Волгоград - Астрахань 800 7,0 5,6 530 45,7 -
Примечание: Р - площадь, км2; Нср - средняя глубина, м; Р - объем, км3; Ь - длина, км; Кв - коэффициент водообмена, год-1; Я - среднегодовая скорость седиментации, кг/м2. В скобках - средняя скорость седиментации по водохранилищу, прочерк - отсутствие данных.
Из-за шероховатости дна придонная скорость минимальна. Она определена по среднему диаметру частиц донных наносов, гранулометрический анализ которых выполнен по образцам съемки 2016 г. по формуле для аридной зоны, включающей Саратовское, Волгоградское водохранилища и Нижнюю Волгу [10]:
Уср=3,01^ср141, (Я2 = 0,99, п = 36), (1)
1 Атлас Единой глубоководной системы Европейской части РФ. Река Волга от Волгоградского гидроузла до Астрахани. ФБУ Администрация «Волго-Балт». 2016. 72 с.
для которых
d = ak, + bk„ + ck, +dk / 100,
ср 1 2 3 4 '
(2)
где й, в, с, d - количество частиц, %; А: - коэффициент средней размерности: А > 1 мм = 1, А 1,0-0,1мм = 0,55, А 0,1-0,01 мм = 0,05, А < 0,01 мм = 0,01.
12 3 4
Все величины скоростного режима, рассчитанные независимыми способами, оказались сопоставимыми, что свидетельствует о том, что на данном участке происходят гидродинамические и геоморфологические процессы, характерные для большой реки (табл. 3).
Таблица 3. Гидро-физико-химические характеристики донных осадков незарегулированной Волги
Table. 3. Hydro/physical/chemical characteristics of the bottom sediments of the unregulated Volga
Станция T o H О мс Е в Гранулометрический состав, мм, % d ср V OB О2
> 1 1-0,1 0,1-0,01 < 0,01
Волгоград П с 10 1,54 19,0 1,05 9l,6 0,l3 0,61 0,55 1,30 0,1 9,3
Райгород П г l 1,l6 16,4 30,26 69,0 0,32 0,31 0,6В 1,15 0,В 10,1
Каменный Яр П с l 1,60 1В,В 2,40 96,6В 0,50 0,42 0,56 1,33 1,4 9,6
Черный Яр П с 11 1,54 1l,5 0,16 9В,В5 0,52 0,41 0,55 1,30 0,6 10,5
Займище П с 12 1,63 1В,0 0,00 9В,В4 0,64 0,52 0,54 1,26 0,5 10,5
Ветлянка П с 15 1,5В 1В,5 0,00 9l,64 1,l0 0,62 0,54 1,26 0,В 11,5
Сероглазка П с 10 1,55 20,2 0,00 99,04 0,50 0,46 0,55 1,30 0,5 9,4
Замьяны П с l 1,5В 1В,5 0,00 99,04 0,53 0,43 0,55 1,30 0,6 9,1
Верхне-Лебяжье И п 14 1,46 23,1 0,00 66,59 2В,14 4,6В 0,3В 0,11 1,6 В,1
Бузан П с 10 1,49 21,2 0,00 9В,Ю 0,В0 0,50 0,54 1,26 0,В В,9
Тулугановка П с 13 1,5В 20,6 0,00 99,26 0,41 0,33 0,55 1,30 1,0 В,9
Астрахань-Балда Г и 4 0,81 44,0 0,00 32,52 5В,46 9,02 0,21 0,33 6,0 В,6
Астрахань-Золотое П и В 1,14 29,4 0,00 69,95 21,02 9,03 0,40 0,В3 4,6 В,4
Примечание: То - тип осадка; Н - глубина, м; Омс - объемная масса сухая, г/см3; Ев - естественная влажность, %; гранулометрический состав, мм, %; - средний диаметр частиц, мм; V - придонная скорость течения, м/с; ОВ - органическое вещество, %; О2 - растворенный кислород, мг/л. Пг - песок с галькой; Пс - песок средний; Ип - илистый песок; Пи - песчанистый ил; Ги - глинистый ил; О2 - средние значения в поверхностном и придонном слое.
Режим эксплуатации Волжского гидроузла, в частности, сбросы гидротехнологических попусков с 3 апреля по 15 мая 2016 г. менялись в пределах 6100 - 27 500 м3/с, что приводит к колебаниям уровня, величин абразионно-эрозионной деятельности, проточности и мутности в Волгоградском водохранилище. В сочетании с показателями географической зональности для аридной зоны (период открытой воды более 250 сут, штормовых дней > 36 и пыльных бурь > 26) темпы осадконакопления в нем максимальные -5,4 мм/год, в т. ч. илонакопления - 8,0 мм/год [17].
Режим твердого стока в каскаде
Строительство плотин на Волге привело к тому, что из транзитной для взвешенных наносов водной магистрали с величинами среднегодового твердого стока в верховьях - 20 мг/л (г. Тверь), а в низовьях до 120 мг/л (Верхне-Лебяжье) она превратилась в отстойник наносов [7, 18]. Несмотря на увеличивающийся водный и твердый сток в каскаде, мутность в основных гидростворах находится в узком диапазоне 6-22 мг/л, а сток наносов у г. Астрахани колеблется в пределах 1,6-14,3 млн т в зависимости от периодов водности и попусков из Волгоградского водохранилища (табл. 4).
По данным за 1935-1980 гг. на незарегулированном участке мутность воды уменьшилась почти в два раза, а в последующие 1978-2010 гг. была еще меньше, в пределах 9-42 мг/л [8].
Таблица 4. Средняя многолетняя мутность воды и сток взвешенных наносов по основным створам и гидроузлам Table. 4. Average long-term turbidity and runoff of suspended sediments at the main sites and waterworks
Гидроствор, ГЭС Водный сток, км3 Мутность, мг/л Сток наносов, тыс. т
Волга-Тверь 5,7 20 114
Иваньковская 10,1 22 222
Угличская 11,5 20 230
Рыбинская 33,3 7 233
Горьковская 49,6 10 496
Чебоксарская 118,8 13 1544
Куйбышевская 243,9 6 1463
Саратовская 248,0 10 2480
Волгоградская 259 /169-335 15 3885
Волга - Астрахань*
1935-1955 гг. 332,8 58 19300
1956-1958 гг. 329,5 44 14500
1959-1980 гг. 269,0 29 7800
1978-2010 гг.** 256/178-340 21/9-42 5376/1602-14280
1881-1990 гг.*** 243 21-58 5103-14094
Примечание: * - [7], ** - 8], *** - [19]. Числитель - среднее значение, знаменатель - пределы
изменений.
Изменение концентрации взвешенных веществ и оценка качества воды на Нижней Волге
Максимальные концентрации взвесей наблюдаются во время половодья и паводков (30-70 мг/л), зимой и в межень они минимальны (2-12 мг/л) [18]. Гидрографы стока наносов, как правило, имеют двухвершинный характер распределения и характеризуются такими же вариациями, что и колебания твердого стока незарегулированных рек бассейна. Как показано на рис. 1, во внутригодовой изменчивости концентраций взвешенных наносов в период 1978-2010 гг. максимальные значения отмечались в мае и составили 48 мг/л, самые низкие величины 5-8 мг/л характерны для января и февраля.
ВН, мг/л 50
40
30
:о
10
1
10 11 12
13 4 5 6 7 8 Месяц
Рис. 1. Внутригодовой ход концентраций взвешенных наносов в створе Верхне-Лебяжье за период 1978-2010 гг.
Fig. 1. Intra-annual variation of suspended sediment concentrations in the Verkhne-Lebyazhye gauge over the period 1978-2010.
Существенную роль в определении загрязнения вод играют потоки мутности. На основании данных мониторинговых исследований Росгидромета в период 1978-2007 гг. установлено, что динамика потоков взвешенных наносов и объема водного стока имеют прямую зависимость (рис. 2). При этом тренд изменения объема стока не столь значителен, чем для потоков взвешенных наносов. С 2000 г. отмечается общая тенденция их уменьшения. Снижение содержания взвешенных наносов в многолетнем аспекте подтверждается изменением прозрачности воды в узком диапазоне от 10 до 20 см, что свидетельствует о самоочищающей способности водных масс (рис. 3).
Наблюдаемая тенденция роста прозрачности косвенно подтверждает улучшение качества воды за счет аккумуляции на дне органического вещества в составе взвешенного, сокращения доли растворенного кислорода по мере уменьшения скорости течения по длине участка, который расходуется на окисление органических компонентов (табл. 3). Различия в концентрациях О2 в поверх-
ВН, тыс т/год 1SOOG -
16000 -
W км3/год т 400
Год
Рис. 2. Многолетние изменения объема водного стока (1) и взвешенных наносов (2) в створе Верхне-Лебяжье в период 1978-2007 гг. Fig. 2. Long-term changes in the volume of water runoff (1) and suspended sediments (2) in the Verkhne-Lebyazhye gauge in the 1978-2007 period.
Z, см 25
20 15 10
— 1
1975
19S0
1985
1990 Год
1995
2000
2005
Рис. 3. Многолетние изменения среднегодовой прозрачности в створе Верхне-Лебяжье в период 1978-2003 гг. по материалам Гидрометеослужбы:
1 - линия тренда, y = 0,2525x - 491,82; R2 = 34,42. Fig. 3. Long-term changes in the average annual transparency in the Verkhne-Lebyazhye section in the 1978-2003 period according to the materials of the Hydro/meteorological Service: 1 - trend line, y = 0.2525x - 491.82; R2 = 34.42.
ностном слое воды и у дна незначительны. Для Нижней Волги не совсем полно оценена роль Волго-Ахтубинской поймы, которая активно зарастает высшей водной растительностью и через протоки контактирует с Волгой, привнося в воды реки помимо минеральной и органическую взвесь - продукцию разложения отмерших макрофитов.
При средней годовой мутности воды в створе Волжской ГЭС 15 мг/л, а в вершине дельты за период 1978-2010 гг. - 21 мг/л, изменение класса качества вод по взвешенным наносам находится в диапазоне от 2а (слабозагрязненная) до 4а (грязная) (табл. 5).
Таблица 5. Изменения класса качества воды Волги (Верхне-Лебяжье) для условий различной водности и обеспеченности
Table. 5. Changes in the water quality class of the Volga River (Verkhne-Lebyazhye) for conditions of different water content and availability
Обеспеченность, % 10 25 50 75 90
Сток Волги, км3
Средний 312 284 256 227 201
Многов одный 335 305 285 270 255
Маловодный 271 243 229 210 176
Взвешенные наносы, мг/л 42 31 21 14 9
Класс качества вод 4а 4а 3б 2б 2а
Положительная корреляция водного и твердого стоков при любой обеспеченности свидетельствует, что динамика амплитуды стока зависит не столько от водности года, сколько от попусков через гидроузел и водовод в р. Ахтуба. Чем больше сброс, тем выше уровень воды, тем активнее абразионно-эрозионная денудация и, соответственно, колебания твердого стока.
В зависимости от сорбционных возможностей взвесей и величин попусков концентрации отдельных металлов - Си, 7п и др., нефтяных углеводородов, БПК5 и фенолов в нефильтрованных пробах, достаточно разнообразны [9]. Так, наиболее высока межгодовая изменчивость концентраций нефтяных углеводородов и 7п (коэффициент вариации составляет, соответственно, 0,90 и 0,65), затем идут Си и фенолы (0,48 и 0,40). Низкие величины имеют БПК5 (0,19) и объем стока (0,16). Превышение концентраций относительно ПДК меняется для рассматриваемых элементов от 2-3 (БПК5 и фенолы) до 4 (нефтяные углеводороды) и до 7 для Си. Класс качества воды по представленным показателям такой же, как и по мутности. Природная локализация многих металлов и загрязняющих веществ зависит от физических процессов, которые впоследствии включают в круговорот веществ химические и биологические факторы. Поэтому режим твердого стока является первостепенным в трансформации качества воды.
Экспедиционные исследования режима взвешенных веществ на Волге
Во время маршрутных рейсов в вегетационный период с 2014 по 2020 гг. мутность воды в Волгоградском водохранилище по судовому ходу не менялась, а на участке от Волгограда до Астрахани увеличивалась (рис. 4). Цветность за счет разбавления вод уменьшалась незначительно. Соответственно прозрачность уменьшалась по длине в обеих акваториях. Причем, наиболее интенсивно в нижних бьефах Балаковской и Волжской плотин на протяжении 150-200 км, где отмечаются максимальные флуктуации скоростей стоковых течений, размывающих берега.
ти.
о
60 ■
50
40 ^
30
20 ■
10 •
*
0
Z
{/): у= - О.ОООбх + 4.7626, R2 = 0.0128 ]
(2)\ у = 0.0975* + 160.21, R1 = 0.534
(3): у = 0,0107х + 32.648, R1 = 0.7181
4
300 250 200
3
........ 150
100
..........................г.......................
50
о
о ¡С1/
500
400
300
200
100
б
Рис. 4. Динамика гидрофизических показателей по судовому ходу: а - Волгоградское водохранилище, б - Нижняя Волга. 1 - мутность, мг/л; 2 - прозрачность, см; 3 - цветность, град. Fig. 4. Dynamics of hydro/physical parameters along the ship's course. a - Volgograd reservoir, b - Lower Volga. 1 - turbidity, mg/l; 2 - transparency, sm; 3 - color, grad.
а
Во время экспедиционного рейса по Волге летом 2016 г. в рамках исследования фильтрационной взвеси в поверхностных водах не было установлено существенных различий в исходных концентрациях для Верхней, Средней и Нижней Волги [20]. Однако отмечено, что перед Волгоградским гидроузлом в верхнем бьефе концентрация взвесей составила 7,9 г/м3, понижаясь до 1,9 г/м3 в нижнем. Безусловно, это связано с перемешиванием слоев воды по глубине. Далее отмечалось повышение в районе Черного Яра (6,7 г/м3), Сероглазки (9,7 г/м3) и Тулугановки (8,9 г/м3), что объясняется абразией и денудацией берегов, сложенных лессовидными породами и хвалынскими глинами. Мутьевой поток вдоль правого высокого коренного берега отслеживался визуально.
Регулирующая способность водохранилищ Волги проявляется в уменьшении удельного стока половодья до 38 % от годового, который до зарегулирования (1935-1955 гг.) составлял у Волгограда 229 км3 [7]. Часть этого стока расходовалась на залитие Волго-Ахтубинской поймы (водопотребление и испарение). Разность объема стока у Волгограда и Астрахани колебалась в отдельные годы от 7 до 21 км3, такие же изменения происходили и в последующие периоды.
Анализ 110-летнего ряда гидрометрических наблюдений в Верхнем Лебяжье (1881-1990 гг.) показал, что норма годового стока ^) равна около 243 км3 [19]. При этом повышение стока в результате сработки полезного объема отмечалось не только в годы пониженной водности (1949, 1954, 1963 гг.), но и в годы средней водности (1951, 1959) и даже в многоводные годы (1957, 1961 гг.). Проверка однородности данного ряда, разбитого на две серии двадцатилетних периодов, подтвердила, что расхождения между значениями отрезков ряда статистически недостоверны, а их отклонения от средней величины не превосходят вероятных ошибок определения. Таким образом, значение водохранилищ в волжской речной системе, как основного фактора снижения водности Волги, было явно преувеличено.
Водохранилища продолжают выполнять роль ловушек наносов. Однако в речных участках - нижних бьефах гидроузлов, где гидродинамические процессы зависят от режима эксплуатации ГЭС и отметок уровня воды, происходит интенсивный размыв берегов и дна, обогащение водных масс взвешенным веществом и их самоочищение за счет аккумуляции в приплотинных верхних бьефах, что является ключевым моментом регулирования качества воды. Экотоксикологические исследования
Широко используемой результирующей характеристикой качества природных вод являются рыбохозяйственные нормативы и сравнительная оценка с эталонными биологическими объектами. Биотестированием установлено, что на большинстве станций Средней и Нижней Волги, за исключением фоновой станции в Рыбинском и двух станций в Чебоксарском и Саратовском водохранилищах, расположенных в типично речных нижних бьефах, донные осадки обладали хроническим токсическим действием по отношению к личинкам хирономид: смертность > 30 %, наблюдалось также статистически значимое снижение линейных размеров [11].
Химический анализ значений биомаркеров показал, что в печени леща и величинах токсичности донных отложений на участке от Горьковского до Волгоградского водохранилищ происходит уменьшение активизации хронического оксидативного стресса. Это указывает на снижение неблагополучного состояния природной среды обитания рыб [12, 21]. Однако прямой корреляции между изменением значений биомаркеров оксидативного стресса и уровнем содержания тяжелых металлов не выявлено. Кроме того, следует отметить, что органические токсические вещества могут влиять на значения биохимических маркеров.
По данным результатов комплексного анализа можно расположить водохранилища по степени ухудшения экотоксикологического состояния в ряд: Волгоградское = Саратовское > Куйбышевское > Чебоксарское > Горьковское [12]. Можно предположить, что и незарегулированный участок Нижней Волги является благоприятной средой обитания для рыб-бентофагов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Взвешенные наносы являются основой для формирования донных осадков. Вместе с взвешенным веществом и растворенными компонентами они участвуют в процессах геобиохимических взаимодействий между водными массами, седиментами и биотой, внося существенный вклад в функционирование водных экосистем.
Процессы природного самоочищения в водохранилищах происходят не только за счет перемешивания и разбавления водных масс в реках, нижних бьефах гидроузлов, но и в озерных, приплотинных участках, где скорости течений уменьшаются, а темпы седиментации увеличиваются. Это приводит к накоплению высокодисперсных глинистых илов, частицы которых сорбируют загрязнения, выводя их из круговорота веществ.
Режим твердого стока на Нижней Волге зависит от сбросов через плотину Волжской ГЭС, удовлетворяющих потребность в воде социальных и экономических комплексов Волгоградской, Астраханской обл. и Республики Калмыкия. В верховьях дельты объем водного стока меньше, чем через Волжский гидроузел, за счет водопотребления и испарения. Высокая наносоудерживающая способность Волгоградского водохранилища способствует самоочищению воды.
В Волгоградском водохранилище и на незарегулированном участке Нижней Волге суточные, недельные и месячные колебания уровня воды приводят к возобновлению и активизации абразионно-эрозионных процессов и поддержанию величин мутности, наблюдаемой до создания каскада.
За период 1977-2014 гг. в русловой части Нижней Волги отмечается тенденция снижения потока взвешенных наносов, наиболее значительная с 2000 г., что связано отчасти с наступлением маловодного периода в бассейне Волги и снижением величин попусков через Волжскую плотину. В зависимости от этих условий качество воды имеет флуктуирующий характер.
Анализ уровня загрязнения вод с использованием кривых обеспеченности позволяет выявить особенности изменения количественных показателей
взвешенных и растворенных веществ в различные периоды водности и режима регулирования попусков через Волжскую плотину для прогнозирования качества воды в дельте Волги.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dams and Development. A new Framework for Decision-Making. The Report of the World Commission on Dams. London, 2000. 600 p.
2. Лисицын А.П. Потоки вещества и энергии во внешних и внутренних сферах Земли // Глобальные изменения. Новосибирск: Наука, 2001. С. 94-119.
3. Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб.: Наука, 2000. 147 с.
4. Буторин Н.В., Зиминова Н.А., Курдин В.П. Донные отложения верхневолжских водохранилищ. Л.: Наука, 1975.159 с.
5. Законнов В.В. Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада: автореф. дис. ... д-ра геогр. наук. М.: ИГРАН, 2007. 42 с.
6. Законнов В.В., Законнова А.В. Балансы взвешенных веществ водохранилищ Волги и их трансформация // Инженерная геология, гидрология и геодинамика прибрежных территорий и ложа водохранилищ. Мат-лы межд. науч.-практ. конф. Пермь: Перм. гос. нац. ис-след. ун-т, 2008. С. 93-99.
7. Тарасов М.Н., Бесчетнова Э.И. Гидрохимия Нижней Волги при регулировании стока. (1935-1980 гг.) // Гидрохимические материалы. Т. CI. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 120 с.
8. Загрязняющие вещества в водах Волжско-Каспийского бассейна. (отв. редакторы В.Ф. Бре-ховских, Е.В. Островская). Астрахань: Изд. Сорокин Р.В., 2017. 408 с.
9. Волкова З.В., Бреховских В.Ф. Многолетние изменения показателей качества вод Нижней Волги // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. II. Качество воды. Геоэкология. Тр. VII Всерос. научн.-практ. конф. Пермь: Перм. гос. науч. исслед. ун-т., 2019. С. 39-44.
10. Законнов В.В., Законнова А.В., Цветков А.И., Шерышева Н.Г. Гидродинамические процессы и их роль в формировании донных осадков водохранилищ Волжско-Камского каскада // Труды ИБВВ РАН, 2018. Вып. 81 (84). С. 35-46. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0004.
11. Томилина И.И., Гапеева М.В., Ложкина Р.А. Оценка качества воды и донных отложений каскада водохранилищ реки Волги по показателям токсичности и химического состава // Труды Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук, 2018. Вып. 82 (85). С. 107-131. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0015.
12. Чуйко Г.М., Гапеева М.В., Ложкина Р.А., Законнов В.В., Томилина И.И., Алексеева М.А., Урванцева Г.А. Комплексная оценка экотоксикологического состояния водохранилищ Средней и Нижней Волги методом биодиагностики и анализа содержания тяжелых металлов в донных отложениях // Антропогенное влияние на организмы и водные экосистемы: сб. материалов VII Всерос. конф. по водной токсикологии, посвященной памяти Б.А. Флерова. Ярославль: Филигрань, 2020. С. 224-226.
13. Остроумов С.А. О самоочищении водных экосистем // Антропогенное влияние на водные экосистемы. М.: МГУ, 2005. С. 94-119.
14. Гордеев В.В. Геохимия системы река-море. М.: И.П. Матушкина И.И., 2012. 452 с.
15. Законнов В.В. Течения и их роль в формировании наносов // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. 9. Гидро- и геодинамические процессы. Управление водными ресурсами. Труды VI Межд. научн-практ. конф. Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2017. С. 65-68.
16. Законнов В.В., Поддубный С.А., Законнова А.В., Касьянова В.В. Осадкообразование в зонах переменного подпора водохранилищ Волжского каскада // Водные ресурсы. 2010. Т. 34. № 4. С. 425-433.
17. Законнов В.В., Законнова А.В. Географическая зональность осадконакопления в системе волжских водохранилищ // Известия РАН. Сер. геогр. 2008. № 2. С. 105-112.
18. Зиминова Н.А. Взвешенное вещество в равнинных водохранилищах // Гидрология озер и водохранилищ. М.: МГУ, 1975. С. 89-96.
19. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. М.: ГЕОС, 1998. 277 с.
20. Немировская И.А., Боев А.Г., Титова А.М., Храмцова В.П. Органические соединения в процессе седиментации водосбора Волги во время позднего паводка //Труды ИБВВ РАН. 2018. Вып. 81 (84). С. 16-26. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0002.
21. Lushchak V.J. Environmentally induced stress in aquatic animals // Aguatictoxicology. 2011. Vol. 101. Iss. 1. Р. 13-30.
REFERENCES
1. Dams and Development. A new Framework for Decision-Making. The Report of the World Commission on Dams. London, 2000. 600 p.
2. Butorin N.V., Ziminova N.A., Kurdin V.P. Bottom sediments of the Upper Volga Reservoirs L.: Nauka, 1975. 159 p. (in Russ.).
3. Lisitsyn A.P. Flows of matter and energy in the external and internal spheres of the Earth. Global-niye izmeneniya [Global Changes]. Novosibirsk: Nauka, 2001. Pp. 94-119 (in Russ.).
4. Alimov A.F. Elements of the theory of functioning of aquatic ecosystems. St. Petersburg: Nauka, 2000. 147 p. (in Russ.).
5. Zakonnov V.V. Sedimentation in the Reservoirs of the Volga Cascade. Avtoref. dis. ... dokt. geogr. nauk. M.: IGRAN, 2007. 39 р. (in Russ.).
6. Zakonnov V.V., Zakonnova A.V. Suspended matter balances in the Volga reservoirs and their transformation. Inzhenernaya geologiya, gidrologiya i geodinamika pribrezhnykh territoriy i lozha vodokhranilishch. Mat-ly mezhd. nauchn.-prakt. konf. Perm: Perm. gos. nats. issled. un-t. [Engineering Geology, Hydrology and Geodynamics of Coastal Territories and Reservoir Beds. Proceedings of int. scientific-practical. conf. September 9-11, 2008 Perm: Perm. state nat. research un-t], 2008. Pp. 93-99 (in Russ.).
7. Tarasov M.N., Beschetnova E.I. Hydrochemistry of the Lower Volga during flow regulation. (1935-1980). Hydrochem. materials. T. CI. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 120 p. (in Russ.).
8. Pollutants in the waters of the Volga-Caspian basin. (Responsible editors V.F. Brekhovskikh, E.V. Ostrovskaya). Astrakhan: Ed. Sorokin R.V., 2017. 408 p. (in Russ.).
9. Volkova Z.V., Brekhovskikh V.F. Long-term changes in the indicators of water quality in the Lower Volga. Sovremenniye problemy vodokhranilishch i ikh vodosborov. Vol. II. Kachestvo vody. Geoe-kologiya. Tr. VII Vseros. nauchn.-prakt. konf. Perm [Modern problems of reservoirs and their watersheds. Volume II. Water quality. Geoecology. Proceedings of VII All-Russian. scientific/practical conf. with int. participation]. Perm: Perm. state scientific research un-t., 2019. Pp. 39-44 (in Russ.).
10. Zakonnov V.V., Zakonnova A.V., Tsvetkov A.I., Sherysheva N.G. Hydrodynamic processes and their role in the formation of bottom sediments in reservoirs of the Volga-Kama cascade. Tr. IBIW RAS. 2018. Iss. 81 (84). Pp. 35-46. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0004 (in Russ.).
11. Tomilina I.I., Gapeeva M.V., Lozhkina R.A. Evaluation of the quality of water and bottom sediments of the cascade of reservoirs of the Volga River in terms of toxicity and chemical composition. Tr. IBIW RAS. 2018. Iss. 82 (85). pp. 107-131. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0015 (in Russ.).
12. Chuiko G.M., Gapeeva M.V., Lozhkina R.A., Zakonnov V.V., Tomilina I.I., Alekseeva M.A., Urvant-seva G.A. Kompleksnaya otsenka ekotoxicologicheskogo sostoyaniya vodokhranilishch Sredney i Nizhney Volgi metodom biodiagnostiki i analiza soderzhaniya tyazholykh metallov v donnykh otlo-zheniyakh /Comprehensive assessment of the eco/toxicological state of the reservoirs of the Middle and Lower Volga by the method of bio/diagnostics and analysis of the content of heavy metals in bottom sediments]. (Borok, September 16-19, 2020). Yaroslavl: Filigran, 2020. Pp. 224-226 (in Russ.).
13. Ostroumov S.A. On self-purification of aquatic ecosystems. Anthropogenic influence on aquatic ecosystems. M.: MGU, 2005. Pp. 94-119 (in Russ.).
14. Gordeev V.V. Geochemistry of the river-sea system. M.: I.P. Matushkina I.I., 2012. 452 p. (in Russ.).
15. Zakonnov V.V. Currents and their role in sediment formation. Modern problems of reservoirs and their watersheds. V. 9. Hydro- and geodynamic processes. Water resources management. Tr. VI Intl. scientific-practical. conf. Perm: Perm. state nat. research un-t, 2017. Pp. 65-68 (in Russ.).
16. Zakonnov V.V., Poddubny S.A., Zakonnova A.V., Kasyanova V.V. Sedimentation in the zones of variable backwater reservoirs of the Volga cascade. Vodniye resursy [Water Resources]. 2010. Vol. 34. No. 4. Pp. 425-433 (in Russ.).
17. Zakonnov V.V., Zakonnova A.V. Geographical zonality of sedimentation in the system of the Volga reservoirs. Izv. RAN. Ser. geogr. 2008. No. 2. Pp. 105-112 (in Russ.).
18. Ziminova N.A. Suspended matter in lowland reservoirs. Gidrologiya ozer i vodokhranilishch [Hydrology of Lakes and Reservoirs]. M.: MGU, 1975. Pp. 89-96 (in Russ.).
19. Edelstein K.K. Reservoirs of Russia: environmental problems, ways to solve them. M.: GEOS, 1998. 277 p. (in Russ.).
20. Nemirovskaya I.A., Boev A.G., Titova A.M., Khramtsova V.P. Organic compounds in the process of sedimentation of the Volga catchment area during the late flood. Tr. IBIWRAS. 2018. Iss. 81 (84), pp. 16-26. DOI: 10.24411/0320-3557-2018-1-0002 (in Russ.).
21. Lushchak V.J. Environmentally induced stress in aquatic animals. Aguatictoxicology. 2011.Vol. 101. Iss. 1, pp. 13-30.
Сведения об авторах:
Законнов Виктор Васильевич, д-р геогр. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», Россия, 152742, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок; ORCID: 0000-0003-1621-6108; e-mail: zak@ibiw.ru
Волкова Зинаида Васильевна, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, г. Москва, ул. Губкина, 3; ORCID: 0000-0001-6221-7502; e-mail: zinal@bk.ru
Законнова Арина Васильевна, научный сотрудник, ФГБУН «Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук», Россия, 152742, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок; ORCID: 0000-0002-1508-1224; e-mail: zak@ibiw.ru About the authors:
Viktor V. Zakonnov, Doctor of Geographic Sciences, Leading Researcher, Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzskiyi Raion, Yaroslavl Oblast, 152742 Russia; ORCID: 0000-0003-1621-6108; e-mail: zak@ibiw.ru
Zinaida V. Volkova, Senior Researcher, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Gubkina, 3, Moscow, 119333 Russia; ORCID: 0000-0001-6221-7502; e-mail: zinal@bk.ru
Arina V. Zakonnova, Researcher, Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzskiyi Raion, Yaroslavl Oblast, 152742 Russia; ORCID: 00000002-1508-1224; e-mail: zak@ibiw.ru
