CC BY
56
УДК 556.5.06 (051)
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КРИТИЧЕСКОЙ ФОСФОРНОЙ НАГРУЗКИ НА ОЗЕРО ВИШТЫНЕЦКОЕ (КАЛИНИНГРАДСКАЯ ОБЛАСТЬ)
Е. В. Кривопускова, Н. Н. Цветкова
PRELIMINARY ESTIMATE OF CRITICAL PHOSPHORUS LOAD IN LAKE VISHTYNETSKOE (THE KALININGRAD REGION)
E. V. Krivopuskova, N. N. Tsvetkova
Озеро Виштынецкое - уникальная экосистема на территории Калининградской области. В его прибрежной части в последние годы активно реализуется региональная программа развития туризма, что приводит к возрастанию антропогенной нагрузки за счет увеличения количества отдыхающих. Так как в пределах водосборного бассейна оз. Виштынецкого нет промышленного производства, туризм может оказаться ведущим фактором в процессе эвтрофирования рассматриваемой водной экосистемы. В связи с этим необходимо найти объективные критерии современного состояния озера. Одним из способов может явиться оценка критических объемов поступления общего фосфора в водоем (критической фосфорной нагрузки). При отсутствии других загрязнителей на первый план в процессе эвтрофирования выходит загрязнение биогенными веществами, а в особенности различными соединениями фосфора, так как именно эта динамика отражает трофический статус водной экосистемы и его изменение. Для этого использована модель, предложенная в работах Фолленвендара (Vollenweider, 1975), показавшая достоверные результаты сходимости теоретических и практических данных для водоемов различных типов. Озеро Виштынецкое является водоемом с замедленной циркуляцией вод. В последние годы наметилась тенденция к снижению уровня и резкому сокращению расходов воды вытекающей из него р. Писсы. Уменьшение водообмена снижает способность к самоочищению и делает экосистему более чувствительной к биогенной нагрузке. Предварительные теоретические расчеты показали, что критическая фосфорная нагрузка на водоем составляет 62 т общего фосфора в год. Такой уровень будет свидетельствовать о необратимом переходе озера в эвтрофное состояние. Рассчитанная фоновая нагрузка (естественная нагрузка) в настоящее время не превышает 3,5 т, что позволяет говорить о благополучном состоянии водоема.
критическая нагрузка, озеро Виштынецкое, водосборный бассейн, общий фосфор
Lake Vishtynetskoe is a unique ecosystem in the Kaliningrad region, in the coastal area of which in last several years a new regional programme of tourism development has been actively implemented, leading to increased anthropogenic load on the lake ecosystem by increasing the number of tourists, so that the change of
trophic status of the water bodies. Due to the lack of industrial production in the studied water body catchment, tourism may become one of the key factors in the process of eutrophication of the water ecosystem under study. In this connection it is important to find objective criteria of the current state of the lake. One of the methods of doing this can be estimation of the critical volumes of total phosphorus entering in the lake - the "critical phosphorus load." To assess the possibility of receiving total phosphorus entering in the lake ecosystem we have used a model proposed in the works of Vollenweider (Vollenweider, 1975), showed a significant convergence of theoretical and practical data for different types of reservoirs. Lake Vishtynetskoe is characterized by slow water circulation, as well as the downward trend of water level marked in recent years, which can lead to the complete absence of flow, causing that it's ecosystem becomes more sensitive to nutrient inputs, and especially inputs of various phosphorus compounds. Preliminary theoretical calculations showed that the current critical phosphorus loading on the lake is about 62 tons of total phosphorus in the year from all water body catchment, this load level is indicative of the irreversible transition of the lake to the eutrophic state. The calculated background load (natural load) is currently less than 3.5 m., from which it follows that the main source of phosphorus in the ecosystem is a business activity. However, marked trends of the reduction of water levels in the lake leads to the necessity for an annual monitoring and recalculation of the critical load, and also controlling amount of total phosphorus which comes from catchment.
critical load, Lake Vishtynetskoe, catchment area, total phosphorus
ВВЕДЕНИЕ
Озеро Виштынецкое - уникальная экосистема на территории Калининградской области. В его прибрежной части в последние годы активно реализуется региональная программа развития туризма [1], что приводит к возрастанию антропогенной нагрузки за счет увеличения количества отдыхающих. Ввиду отсутствия в пределах водосборного бассейна оз. Виштынецкого промышленного производства высокая рекреационная нагрузка может оказаться одним из ведущих факторов в процессе эвтрофирования рассматриваемой водной экосистемы. В связи с этим необходимо найти объективные критерии современного состояния озера.
Высокие темпы антропогенной трансформации окружающей среды нередко приводят к необратимым изменениям в экосистемах. Увеличение объема поступления биогенных веществ, особенно таких, как соединения азота и фосфора, вызывает возрастание скорости и объемов биологического продуцирования. При этом в первую очередь отмечается увеличение в экосистеме биомассы продуцентов, что, в свою очередь, приводит к увеличению кормовой базы для всех последующих ступеней трофической цепи (Одум, 1971). В то же время бесконтрольное поступление биогенных веществ изменяет буферную емкость экосистемы, тем самым снижая количество загрязнений, которое экосистема может перерабатывать без заметных последствий для её состояния. Наземные экосистемы, благодаря ряду своих особенностей, являются более устойчивыми к этим изменениям, что нельзя сказать о водных экосистемах, которые вследствие своих особенностей расположения в границах различных
видов рельефа и в системе материкового стока становятся аккумуляторами вещества, которое циркулирует в пределах водосбора, переносится стоком и достигает озер (Россолимо, 1934).
Водоемы чувствительны к поступлению избыточного количества не только биогенных веществ, но и загрязнений в целом. Для каждой такой экосистемы существует свой предел буферной емкости, при этом возможно изменение этих пределов вследствие изменения трофического статуса водоема. Следует отметить, что с изменением уровня трофии происходят необратимые изменения во флористических и фаунистических сообществах, а это, в свою очередь, может привести к потере продукционных свойств водной экосистемы.
Для обозначения границ максимально возможной концентрации того или иного загрязняющего вещества, поступающего в водную экосистему со всей площади водосборного бассейна, введено понятие «критическая нагрузка». Согласно российскому законодательству, под критической нагрузкой понимают «уровень внешней нагрузки, который приводит к достижению допустимого (критического) уровня концентрации вещества в воде, донных отложениях и гидробионтах» [2].
Целью проведенных исследований является предварительная оценка приемной возможности экосистемы оз. Виштынецкого с использованием модели Фолленвендара (Vollenweider, 1975) по оценке критической фосфорной нагрузки на водоем с последующей возможностью применения полученных результатов для создания комплексных планов развития прибрежных территорий озера.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Озеро Виштынецкое является самым крупным пресноводным водоемом Калининградской области. Его водосборный бассейн (рис. 1) расположился на территории трех государств: Российской Федерации, Литовской и Польской республик. Международное законодательство относит озеро к группе трансграничных водных объектов, поскольку по его акватории проходит государственная граница между Российской Федерацией и Литовской Республикой.
Общая площадь водосбора составляет 281,9 км . Наибольшая часть (-51%) расположена на территориях Подляского и Вармино-Мазурского воеводств Польши. Это достаточно развитые сельскохозяйственные районы с двумя относительно крупными городами (Вижайны и Житкейми) и десятком мелких хуторов.
Оставшаяся часть водосборной площади в относительно равном количестве располагается на территории Российской Федерации и Литовской Республики. За последние сорок лет здесь произошли значительные изменения. Так, в Литве в 1992 г. создан региональный парк «Виштитис», хотя до этого это был крупный сельскохозяйственный район. На территории парка, непосредственно на побережье озера, располагаются две крупные базы отдыха и городское поселение Виштитис (численность населения 436 человек).
Рис. 1. Водосборный бассейн оз. Виштынецкого Fig. 1. Catchment area of Lake Vishtynetskoe
Почти всю российскую часть водосборной площади занимают леса (около 90 %). В 2012 г. по примеру литовских коллег на территории, прилегающей к Виштынецкому озеру, образован природный парк «Виштынецкий», главной
задачей которого является развитие рекреационной зоны без вреда существующей экосистеме.
С водосборной площади в оз. Виштынецкое осуществляют свой сток 10-12 мелких водотоков, многие из них непостоянны и в меженные периоды полностью пересыхают. В южной части озера располагаются устья двух рек: Черницы и Вижайны, которые приносят воды с сельскохозяйственных районов Польской Республики. Само оз. Виштынецкое представляет собой относительно крупный (площадь 18,1 км2) и достаточно глубокий (максимальная глубина 52 м) пресноводный водоем. Котловина озера имеет достаточно сложную морфологическую структуру, что оказывает большое влияние на динамику вод.
Последние мониторинговые исследования состояния озера отмечают некоторое возрастание антропогенной нагрузки на российскую часть водосборной площади водоема. В 90-х гг. прошлого столетия было показано [3] увеличение трофического статуса прибрежной части акватории у берегов Литовской Республики, эта тенденция сохранялась и в нулевые годы.
Ранее делались попытки качественной оценки трофического статуса озера по характеру распределения и изменения перманганатной окисляемости воды [4]. Однако к проблеме оценки трофности и устойчивости водной экосистемы можно подойти, используя критерий «критическая нагрузка», определив ее, в частности, по фосфору.
Для всей площади водосборного бассейна озера характерно отсутствие крупных населенных пунктов, промышленных центров и производств, оказывающих негативное влияние на окружающую среду. Основную антропогенную нагрузку озеро получает со стоком с сельскохозяйственных полей, рекреационных зон и населенных пунктов, где основными загрязняющими веществами являются соединения фосфора и азота.
Доказано, что в олиготрофных озерах, не подверженных антропогенному воздействию, развитие фитопланктона ограничивается концентрациями фосфатов в воде [5]. С увеличением поступления соединений фосфора в водоем происходит бурное развитие различных форм водорослей, что, в свою очередь, приводит к повышению трофического уровня водной экосистемы. Из вышеуказанного следует, что концентрация фосфора в водоемах может быть использована в качестве показателя уровня трофии.
Оценка критической фосфорной нагрузки позволит не только оценить состояние водной экосистемы озера, но и разработать планы развития прибрежных зон с учетом сохранения окружающей среды. Ее значение может стать объективным критерием при определении антропогенной нагрузки на озеро.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для оценки влияния фосфора, поступающего в водоем со всей водосборной площади, на переход экосистемы с одного уровня трофии на другой Р. Фолленвейдер (Vollenweider, 1975) в своих работах предложил график зависимости между фосфорной и водной нагрузками, в котором установлены границы между различными трофическими уровнями (рис. 2). Исследования Фолленвейдера позволили установить значение критической фосфорной нагрузки, после превышения которой водоем переходит в эвтрофное состояние [6].
Для расчета критической фосфорной нагрузки в крупных холодноводных водоемах с замедленным водообменом Р. Фолленвейдер и П. Диллон (Vollenweider, Dillon, 1974) предложили следующее выражение [6]:
L кр = 2 5 L w( l + Tw° 5) (1)
где 25 - критическая концентрация фосфора в озере в период весеннего перемешивания, мкг/л; rw - период полного водообмена озера, год; Lw - водная нагрузка на водоем, м/год (отношение средней глубины озера к условному числу лет, необходимому для полного водообмена в озере).
L„, м/год
Рис. 2. Трофический статус озера в зависимости от фосфорной (Lp) и водной
нагрузок (Lw) (Vollenweider, 1975) Fig. 2. Dependence of the lake trophic status on phosphorous (Lp) and water loads (Lw)
(Vollenweider, 1975)
Значение критической концентрации фосфора получено после анализа процессов эвтрофикации в Великих озерах (США), а дальнейшее апробирование полученного коэффициента в озерах Северо-Запада Европы, а также в Ладонежском и Онежском озерах доказало его достоверность. Проведенные расчеты позволили авторам [7] получить более или менее объективный критерий для оценки трофности водоема. Кроме всего, эта модель достаточна проста в использовании, по сравнению с другими [2, 5] не требует большого количества данных при отсутствии поступления в водоем промышленных и загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков.
Общий суммарный расход впадающих в озеро водотоков в летнюю межень не превышает 1,5 м/с [8]. Используя эти данные в переводе на год, получаем, что общий годовой приток в озеро (водная нагрузка) от рек не превышает 47,3 млн. м3, в маловодные периоды, когда большинство мелких водотоков пересыхают, приток может снижаться до 34,7 млн. м3. Еще одним источником вод в оз. Виштынецком являются атмосферные осадки. Среднемноголетнее годовое количество осадков, выпадающих на водосборную площадь в течение года, находится в пределах 640-730 мм [9], что обеспечивает поступление в среднем
12,5 млн. м3. Таким образом, приходная часть водного баланса оз. Виштынецкого (без учета поступления грунтовых вод) составляет 59, 8 млн. м3.
Виштынецкое озеро относится к озерам с продольно-осевой проточностью. Сток из озера осуществляется через единственный водоток - р. Писсу. Средний расход Писсы в истоке не превышает 1,1 м /с. Сток реки очень сильно зависит от водности года. Особенно эта зависимость проявляется в маловодные периоды, когда расход падает до 0,1 м3/с и менее. Так, засушливые жаркие летние месяцы и бесснежные зимы 2014-2015 гг. привели к падению уровня озера на 0,5 м и почти к полному прекращению стока из озера в октябре-ноябре 2015 г.
Вследствие сложного строения котловины, низкого объема притока и стока озеро относится к водоемам с замедленным водообменом. Для расчета условного числа лет, необходимого для полного водообмена, использовалась формула, предложенная Ф. А. Форелем (1912):
' = 5 (2)
где X - время пребывания воды в озере; V - объем озера; Б - сток воды из
озера.
Расчеты, выполненные по формуле (2), показали, что полный водообмен в озере происходит за 10,6 лет. Средняя глубина озера - 20 м, следовательно, водная нагрузка (Lw) составляет 1,9 м/год.
С использованием полученных данных по формуле (1) рассчитана ориентировочная критическая фосфорная нагрузка, которая составляет 0,22 г/м2*год, что в переводе на площадь водосборного бассейна соответствует годовому поступлению 62 т фосфора. Полученная для озера ориентировочная критическая фосфорная нагрузка ниже теоретической (0,6 г/м2*год), снятой с графика на рис. 2 с учетом рассчитанной водной нагрузки, что связано с учетом в расчетах времени водообмена. Такие различия свидетельствует о необходимости при оценке критической нагрузки обязательного учета скорости водообмена при имеющихся тенденциях снижения уровня воды.
В настоящее время фоновый вынос общего фосфора с водосбора (естественная фосфорная нагрузка) в оз. Виштынецкое, рассчитанный согласно формуле (3) [10], предложенной в работах Г.Т. Фурмана и Е.Н. Степановой (2009), составляет 0,012 т/км в год.
КГ (3)
Щ ^в ал)ф о н = 22 1 - 52,3 1о д , (3)
где ф - широта средней точки бассейна.
Исходя из вышеизложенного, критическая фосфорная нагрузка для оз. Виштынецкого составляет 62 т, что соответствует необратимому переходу водоема в эвтрофное состояние. Однако естественной нагрузке соответствует лишь 5 % этого объема валового фосфора.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Озеро Виштынецкое представляет собой уникальную для Калининградской области экосистему, которая является местообитанием большого количества редких для нашего региона видов флоры и фауны. В частности, в водоеме обитает единственная в области популяция европейской ряпушки (Coregonus albula, Е), которая к тому же является промысловой.
В последние годы растет инвестиционная и туристическая привлекательность прибрежной территории озера Виштынецкого, что ведет к увеличению антропогенной нагрузки и изменению условий поступления органических и биогенных веществ. Из-за возрастания количества отдыхающих в последнее десятилетие отмечается тенденция к некоторому увеличению эвтрофикации прибрежных районов [3, 4].
Озеро как аккумулирующая система отражает в своих гидрологических и гидрохимических характеристиках особенности вещественного состава природных комплексов своего водосборного бассейна и позволяет судить об изменениях, происходящих в этих комплексах [4, 5].
Некоторые соединения накапливаются путем механического отложения на дне озера, другие - в результате несложных трансформаций выводятся из раствора и затем уже поступают в состав озерных систем. Однако накопление биологически активных веществ, к примеру фосфора и азота, происходит иными более сложными путями.
В последние десятилетия понятие «критической нагрузки» перестало использоваться только для оценки влияния фосфора на водную экосистему при антропогенном воздействии. В настоящее время рассчитывают критические нагрузки и по другим химическим веществам, прежде всего по тяжелым металлам и кислотообразующим веществам, при этом учитываются все источники поступления загрязняющих веществ на всем водосборе. Однако необходимо учитывать, что если для фосфорной нагрузки существуют допустимое и критическое значения, то для других химических веществ они практически равнозначны.
Полученные данные о критической фосфорной нагрузке на оз. Виштынецком являются ориентировочными. Дальнейшие исследования должны быть направлены на натурные наблюдения за объемами поступления общего фосфора в озеро с его водосборного бассейна и уточнение водного баланса озера.
В совокупности полученные данные позволят не только уточнить критическую нагрузку на исследуемый водоем, но и контролировать развитие промышленного и рекреационного кластеров на территории водосборного бассейна, и в особенности в прибрежной части водоема, с учетом сохранения существующего олиготрофного состояния озера.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. N 311 "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Калининградской области до 2020 года" (с изменениями
и дополнениями) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70544216/
2. Распоряжение Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга от 26 марта 2008 г. N 34-р "Об утверждении Методических рекомендаций "Расчет критической нагрузки на обособленные водные объекты Санкт-Петербурга" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://uristu.com/library/sankt-peterburg/piter_71691/
3. Берникова, Т. А. Возможность оценки трофического статуса водоема по величине перманганатной окисляемости (на примере оз. Виштынецкого Калининградской области) / Т. А. Берникова, Н. Н. Нагорнова, Н. А. Цупикова // Вестник РУДН. - 2013. - № 3. - С. 12-23.
4. Берникова, Т. А. Многолетние изменения содержания органических веществ в воде как показатель трофического уровня озера Виштынецкого / Т. А. Берникова, Н. Н. Нагорнова, Н. А. Цупикова // Известия КГТУ. -Калининград, 2013. - № 28. - С. 70-78.
5. Россолимо, Л. Л. Изменение лимнических экосистем под воздействием антропогенного фактора / Л. Л. Россолимо; АН СССР, Ин-т географии. - Москва: Наука, 1977. - 144 с.
6. Кондратьев, С. А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования / С. А. Кондратьев. - Санкт-Петербург: Наука, 2007. -253 с.
7. Vollenweider R.A. Input - output models with special reference to the phosphorus loading concept in limnology / R.A. Vollenweider // Schweiz. Z. Hydrol. -1975. -№ 37. - Р. 53 - 84.
8. Озеро Виштынецкое / отв. ред.: К. В. Тылик, С. В. Шибаев. - 2-е изд., исправ. и доп. - Калининград: ИП Мишуткина И.В., 2011. - 144 с.
9. Виштынецкое озеро: природа, история, экология / В.В. Орленок [и др.]. - Калининград: Изд-во КГУ, 2001. - 211 с.
10. Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран бассейна Балтийского моря: дис. ... канд. геогр. наук: 25.00.36 / Степанова Елена Владимировна; РГГМУ. -Санкт-Петербург, 2009. - 223 с.
REFERENCES
1. Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 15 aprelja 2014 g. N 311 "Ob utverzhdenii gosudarstvennoj programmy Rossijskoj Federacii "Social'no-jekonomicheskoe razvitie Kaliningradskoj oblasti do 2020 goda" (s izmenenijami i dopolnenijami).
2. Rasporjazhenie Komiteta po prirodopol'zovaniju, ohrane okruzhajushhej sredy i obespecheniju jekologicheskoj bezopasnosti Pravitel'stva Sankt-Peterburga ot 26 marta 2008 g. N 34-r "Ob utverzhdenii Metodicheskih rekomendacij "Raschet kriticheskoj nagruzki na obosoblennye vodnye ob#ekty Sankt-Peterburga".
3. Bernikova T. A., Nagornova N. N., Cupikova N. A. Vozmozhnost' ocenki troficheskogo statusa vodoema po velichine permanganatnoj okisljaemosti (na primere ozera Vishtyneckogo Kaliningradskoj oblasti) [Estimability of the water body trophic status using the value of permanganate oxygen consumed (on the example of Lake
Vishtynetskoe in the Kaliningrad region)]. Moscow, Vestnik RUDN, 2013, no. 3, pp.12-23.
4. Bernikova T. A., Nagornova N. N., Cupikova N. A. Mnogoletnie izmenenija soderzhanija organicheskih veshhestv v vode kak pokazatel' troficheskogo urovnja ozera Vishtyneckogo [Long-term changes in the content of organic substances in water as an indicator of the trophic level of Lake Vishtynetskoe]. Kaliningrad, Izvestija KGTU, 2013, no. 28, pp. 70-78.
5. Rossolimo L. L. Izmenenie limnicheskih jekosistem pod vozdejstviem antropogennogo faktora [Change of limnic ecosystems under the influence of anthropogenic factor]. Moscow, Nauka, 1977, 144 p.
6. Kondrat'ev S. A. Formirovanie vneshnej nagruzki na vodoemy: problemy modelirovanija [Formation of external load on water bodies: simulation problems]. Saint-Petersburg, Nauka, 2007, 253 p.
7. Vollenweider R. A. Input - output models with special reference to the phosphorus loading concept in limnology. Schweiz. Z. Hydrol. 1975, no. 37, pp. 53-84.
8. Tylik K. V., Shibaev S. V. Ozero Vishtyneckoe [Lake Vishtynetskoe]. Kaliningrad, IP Mishutkina I. V., 2011, 144 p.
9. Orlenok V. V., Barinova G. M., Kucherjavyj P. P. , Ul'jashev G. L. Vishtyneckoe ozero: priroda, istorija, jekologija [Lake Vishtynetskoe: nature, history, ecology]. Kaliningrad, Izd-vo KGU, 2001, 211 p.
10. Stepanova E. V. Geojekologicheskoe obosnovanie predel'nyh urovnej jeksporta biogennyh jelementov s territorij stran bassejna Baltijskogo morja. Diss. kandidata geograficheskih nauk [Geoecological substantiation of the ultimate levels of export of biogene elements from the territories of the Baltic sea basin: PhD (Geography) dissertation]. Saint-Petersburg, RGGMU, 2009, 223 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кривопускова Екатерина Владимировна - Калининградский государственный
технический университет; ассистент кафедры ихтиологии и экологии;
Е-mail: katekrivopuskova@gmail .com
Krivopuskova Ekaterina Vladimirovna - Kaliningrad State Technical University;
Assistant at the Department of Ichthyology and Ecology;
Е-mail: katekrivopuskova@gmail .com
Цветкова Надежда Николаевна - Калининградский государственный технический университет; кандидат географических наук, доцент кафедры ихтиологии и экологии; E-mail: [email protected]
Tsvetkova Nadezhda Nikolaevna - Kaliningrad State Technical University; PhD in Geography, Associate Professor of the Department of Ichthyology and Ecology;
E-mail: [email protected]
