CC BY
13УДК 581:556 DOI: 10.35567/19994508_2023_2_7
Решение методологических вопросов при выборе методов реабилитации эвтрофных водоемов
А.Н. Попов, В.Ф. Мухутдинов
И wrm@wrm.ru
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Уральский филиал г. Екатеринбург, Россия
АННОТАЦИЯ
Актуальность. В условиях интенсификации хозяйственной деятельности проблема выбора оптимальных мероприятий для реабилитации водных объектов приобретает все большую актуальность, поэтому особое значение имеет совершенствование научно-методического обеспечения водохозяйственной и водоохранной деятельности. Однако в настоящее время в России не принят единый алгоритм и методика проведения предпроектных инженерно-экологических изысканий, выработки рекомендаций по оптимальному набору методов реабилитации конкретного водного объекта, учитывающему всю совокупность воздействия и взаимодействия водной, наземной, воздушной экосистем и антропогенеза. Сотрудниками ФГБУ РосНИИВХ разработан ряд пособий, позволяющих на стадии предпроектных исследований определить оптимальный набор реабилитационных мероприятий для водного объекта, оценить необходимую и достаточную степень реализации каждого для достижения поставленной цели, прогнозировать состояние водного объекта. Одним из таких документов является проект «Пособия по выбору оптимальных методов реабилитации эвтрофирующих водоемов», апробация которого проведена на семи озерах и 12 водохранилищах. В ходе апробации возник ряд методологических вопросов, которые необходимо решить для упрощения и расширения возможностей данной методики. Методы. Проанализированы и обобщены результаты исследований отечественных и зарубежных ученых, итоги апробации методики на конкретных водных объектах. Результаты. В рамках проведенного исследования предложена методика оперативного и объективного определения годовой удельной биогенной нагрузки на водоем до проведения полного цикла наблюдений, доказана возможность использования одного из многочисленных уравнений взаимосвязи между концентрациями фитопланктона и хлорофилла а, сформирована методика выбора приоритетных действий, направленных на реабилитацию водоемов макрофит-ного типа.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: реабилитация водоема, фитопланктон, хлорофилл а, удельная нагрузка, фосфор общий, трофический статус, озеро, водохранилище, экосистема.
Для цитирования: Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф. Решение методологических вопросов при выборе методов реабилитиции эвтрофных водоемов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2023. № 2. С. 101-117. DOI: 10.35567/19994508_2023_2_7.
Дата поступления 22.02.2023.
© Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф. 2023
Solution of methodological problems in selection of methods of euthrophic water bodies' rehabilitation Aleksandr N. Popov, Valery F. Mukhutdinov
ISI wrm@wrm.ru
Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection Ural Branch,
Ekaterinburg, Russia
ABSTRACT
Relevance. In the conditions of the economic activities intensification the problem of choice of the optimal measures for water bodies' rehabilitation becomes more relevant, therefore improvement of scientific/methodological support of water/economic and water/protective activities acquires special significance. However, at present in Russia there is no single algorithm and method for pre-design engineering/ecological surveying, no recommendations on optimal choice of rehabilitation methods for a specific water body with taking into account the whole integrity of impact and connections of aquatic, ground, and aerial ecosystems, as well as anthropogenesis. Experts of RosNIIVKH have developed a number of manuals that enable at the stage of pre-design surveying to determine the optimal set of rehabilitation measures for a water body, to assess the necessary and sufficient degree of realization of each of them to attain the pre-set objective, and to forecast the water body state. A draft of the "Manual on selection of optimal methods of euthrophic water bodies' rehabilitation" is one of these documents. It was tested at seven lakes and twelve reservoirs. During the testing, we faced a number of methodological problems that are to be solved to simplify these methods and to make them more efficient. Methods. We have analyzed and generalized the results of researches made by national and foreign specialists, as well as outcomes of this method testing at specific water bodies. Results. Within the framework of the performed research, we have proposed a method of operative and objective determination of annual specific biogenic load upon a water body prior to conducting a whole cycle of observations Besides, we have proved the possibility of using one of numerous equations of connection between concentrations of phytoplankton and chlorophyll a. We have formed a method of choosing the priority actions aimed at rehabilitation of the euthrophic type of water bodies.
Key words: water body rehabilitation, phytoplankton, chlorophyll а, specific load, total phosphorous, trophic status, lake, reservoir, ecosystem.
For citation: Popov A.N., Mukhutdinov V.F. Solution of methodological problems in selection of methods of euthrophic water bodies' rehabilitation. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2023. No. 2. P. 101-117. DOI: 10.35567/19994508_2023_2_7.
Received 22.02.2023.
ВВЕДЕНИЕ
Рациональное устойчивое водопользование призвано, по своей сути, решать две задачи: удовлетворять потребности человека в воде необходимого качества и в необходимых количествах; сохранять водные объекты как фактор формирования здоровой среды обитания.
Анализ современной ситуации в Российской Федерации показывает, что под влиянием хозяйственной деятельности на фоне изменения водности происходит деструктуризация водных экосистем, что ведет не только к ухудшению качества воды, но и вызывает негативные изменения в других, связанных с ними экосистемах - наземной, воздушной, подземной. Наблюдается тяжелейшая ситуация с воспроизводством пресноводных биоресурсов и в то же время
продолжается политика экстенсивного хозяйственного освоения поверхностных водных объектов, ведущая к их безвозвратной потере и как источников водоснабжения, и как фактора формирования здоровой среды обитания.
Одной из целей разработки СКИОВО является реабилитация претерпевших изменения водных объектов. Более того, в пункте 5.1.5 «Положения о Федеральном агентстве водных ресурсов РФ» сформулировано одно из направлений деятельности ведомства: «...Осуществление мероприятий по охране водоемов, которые полностью расположены на территориях соответствующих субъектов Российской Федерации и использование водных ресурсов которых осуществляется для обеспечения питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения двух и более субъектов Российской Федерации, в соответствии с перечнем таких водоемов, установленным Правительством Российской Федерации, а также по охране морей или их отдельных частей, предотвращению их загрязнения, засорения и истощения вод, осуществление мер по ликвидации последствий указанных явлений», что непосредственно указывает на необходимость формирования программ по ликвидации последствий негативного антропогенного воздействия на водные объекты. Но необходимо было бы добавить в пункт 5.1.5 «Положения ...» - «и причин, их вызывающих». Тогда бы сложилось целостное обоснование необходимых действий, направленных на полномасштабное решение задачи охраны водных объектов.
Использование термина «реабилитация», а не «восстановление» дает возможность широкого маневра при проведении мероприятий, возвращающих водные объекты в сферу хозяйственной деятельности или улучшающих их состояние, поскольку термин «восстановить» означает «привести в прежнее состояние», что зачастую невозможно для значительной части водных объектов освоенной территории России. Тем более, данный термин («восстановить») не может быть применим для искусственных водных объектов, например, водохранилищ. Реабилитировать же можно до состояния «вновь удобный, применимый», а не до первоначального.
Целями реабилитации водотоков и водоемов должны быть:
- воссоздание экологического благополучия водных экосистем, оптимального соотношения продукционно-деструкционных процессов;
- изменение качественных характеристик воды до уровня, комфортного для функционирования воссозданной экосистемы;
- изменение количественных характеристик водного объекта, в т. ч. гидрологических и морфометрических, до уровня, комфортного для функционирования воссозданной экосистемы и необходимого для оптимального удовлетворения хозяйственных потребностей.
Реабилитация поверхностных водоисточников является совокупностью технико-технологических, хозяйственных, экологических, экономических, организационно-правовых и других мероприятий, направленных на достижение вышеназванных целей. Ее методологической основой должен быть экоси-стемный подход, обеспечивающий учет всех факторов, направленных на формирование качества и стоковых характеристик поверхностных вод [1].
В мировой практике разработаны разнообразные методы реабилитации водных объектов, но каждый из них может быть использован для инактивации одного-двух факторов, негативно влияющих на состояние водного объекта. Фактически же всегда наблюдается совокупность последних, лимитирование каждого требует своих специфических приемов.
Однако, несмотря на понимание научным и инженерным сообществом вы-шеобозначенных концептуальных основ реабилитации поверхностных водных объектов, в настоящее время отсутствует единая методология, единый алгоритм и методика проведения предпроектных инженерно-экологических изысканий, которые должны завершаться рекомендациями по оптимальному набору методов реабилитации водного объекта и прогнозом его состояния после реализации рекомендуемых мероприятий, учитывающими всю совокупность воздействия и взаимодействия водной, наземной, воздушной экосистем и антропогенеза.
Анализ проектов реабилитации водных объектов выявляет в каждом случае некую однобокость, выражающуюся в недоучете ряда факторов, что приводило и приводит к принятию ошибочных решений. Результат: в лучшем случае - неухудшение состояния водного объекта, в худшем - ускорение его деградации. Следствие - неэффективное использование выделенных субвенций на финансирование проектов и недостижение заявленной цели.
Вольная трактовка и искаженное понимание реабилитации водных объектов позволяют подменять эффективные решения на второстепенные и ресурсоемкие виды работ. Например, в настоящее время, производится очистка от донных отложений эвтрофирующего Черноисточинского водохранилища -питьевого водоисточника г. Нижнего Тагила. Предусмотренные затраты - более 400 млн руб. Объем изымаемых донных отложений - 500 000 м3, что составляет 3-5 % от общего объема и находится в пределах ошибки его определения. Обоснованный прогноз изменения состояния водоема отсутствует. У специалистов, занимавшихся наблюдением за водоемом более двадцати лет назад, есть все основания полагать, что заметного изменения в состоянии водоема в этом случае не произойдет [2].
Выполняя ряд заказов различного уровня на разработку мероприятий по реабилитации водоемов и водотоков, сотрудники ФГБУ РосНИИВХ, исходя из результатов анализа фактического состояния водных объектов, разработали проекты пособий, позволяющие на стадии предпроектных исследований определить оптимальный набор реабилитационных мероприятий для конкретного водного объекта, оценить необходимую и достаточную степень их реализации для достижения поставленной цели [3-6]. В целом при разработке пособий за основу была взята вытекающая из предыдущих рассуждений общая методология реабилитации водных объектов, представленная следующим образом:
- определение состояния биогеоэкосистемы водного объекта (водный объект, водосбор, воздушная и подземная экосистемы);
- оценка необходимости реабилитации состояния экосистемы водного объекта;
- определение степени произошедших изменений (обратимое, необратимое) в биогеоэкосистеме водного объекта, в т. ч. морфометрических, гидрологических и гидравлических;
- определение реально достижимой степени воссоздания нарушенных экосистем водного объекта и водосбора с учетом технических и финансовых возможностей;
- определение причин фиксируемого состояния водного объекта (источники загрязнения внешние и внутренние, морфометрия, гидравлика, гидрология), степени негативного воздействия, ранжирование причин ухудшения состояния водных и наземных экосистем по степени влияния;
- выбор оптимальных методов инактивации источников негативного влияния, оказывающих, на основе результатов ранжирования, наибольшие степени воздействия на количественные, качественные характеристики водного объекта и его биогеоэкосистемы;
- прогноз состояния водного объекта после предполагаемого устранения основных причин ухудшения качества воды и стоковых характеристик водоисточника, сопоставление с целевыми показателями, принятыми в СКИОВО данного водного объекта;
- выбор эффективных технологий реализации оптимальных методов инактивации причин фиксируемого состояния водного объекта (технологическое регулирование водопользования, нормирование сбросов и т. д.);
- разработка ОВОС (оценка воздействия на окружающую среду) предлагаемых методов ликвидации источников загрязнения;
- определение этапов реабилитации в соответствии с финансовыми возможностями хозяйствующих субъектов и необходимым уровнем реабилитации с оценкой результатов каждого этапа;
- собственно реабилитация водного объекта и водосбора;
- мониторинг состояния восстановленного водного объекта и водосбора;
- корректировка мероприятий в соответствии с результатами мониторинговых наблюдений.
Одним из документов, прошедшим достаточно длительную апробацию, является «Пособие по выбору приоритетных действий, направленных на реабилитацию водоемов (озера, водохранилища)» (далее - «Пособие...»), на основе положений которого производится выбор оптимальных методов реабилитации эвтрофирующих водоемов, продукционная способность которых лимитируется удельной годовой нагрузкой общим фосфором (больше 90 % озер и водохранилищ России). Необходимо отметить, - общим фосфором, а не фосфором фосфатов [2, 4, 5, 7- 9].
В состав «Пособия ...», помимо общих положений и пр., входят разделы:
- Определение годового поступления общего фосфора в водоем с русловым стоком.
- Определение годового поступления общего фосфора в водоем с поверхностным стоком с водосборной площади, не дренируемой водотоками и дренажной сетью, выпусками ливневых и дренажных вод.
- Детальный метод определения удельной годовой нагрузки общим фосфором от внутренних источников (донные отложения, затопленная и плавающая древесина).
- Упрощенный метод расчета годового поступления общего фосфора из внутренних источников.
- Определение трофического уровня водоема и его гидрохимического состояния.
- Ранжирование источников поступления общего фосфора.
- Выбор методов реабилитации.
- Прогноз трофического уровня водоема после предполагаемой реализации каждого из выбранных мероприятий реабилитации и их совокупности.
В состав документа также входят приложения, необходимые при определении заявленных характеристик и величин.
Апробация «Пособия...» проводилась на озерах Шарташ, Балтым, Иртяш, Таватуй, Сосновское, Аятское, Увильды, Иткуль (Средний и Южный Урал); на водохранилищах Нижне-Туринское, Исетское, Верх-Исетское, Волчихинское, Верхне-Макаровское, Верх-Нейвинское, Верхне-Выйское, Белоярское, Нижне-Сысертское, Павловское, Рефтинское (Северный, Средний и Южный Урал), Юмагузинское (Башкирия) [3- 7, 9 - 12].
При апробации «Пособия.» возник ряд методологических вопросов, которые следует решить для упрощения и расширения возможностей предлагаемой методики. В частности, необходимо:
1. Разработать методику оперативного и объективного определения удельной годовой биогенной нагрузки на водоем до проведения полного цикла наблюдений, что позволит изначально оценить трофический статус водного объекта и необходимость его реабилитации.
2. Определить статистически достоверную взаимосвязь концентрации фитопланктона с концентрацией хлорофилла при «цветении» водорослей.
3. Сформировать методику определения поступления биогенов с недрени-руемой территории водосбора, с наибольшей точностью учитывающую состояние водосбора.
4. Разработать методику выбора приоритетных действий, направленных на реабилитацию водоемов макрофитного типа.
5. Разработать методику оценки влияния взвешенных веществ различной этиологии на состояние водных объектов.
6. Разработать методику оценки водного объекта с экосистемных позиций (на основе результатов гидрохимического анализа и оценки состояния экосистемы).
На основе анализа и обобщения результатов работ отечественных и зарубежных ученых, итогов собственных исследований в рамках апробации «Пособия .» в данной статье представлены результаты исследований по сформулированным выше вопросам 1, 2 и 4.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Метод оперативного и объективного определения годовой удельной биогенной нагрузки (общего фосфора, гР/м2 год) на водоем
Проведен статистический анализ результатов собственных работ по определению методов реабилитации вышеперечисленных озер и водохранилищ, по которым имеется информация об их морфометрии и проточности. Установлено, что для оперативного и объективного определения удельной годовой биогенной нагрузки на водоем достаточна информация о концентрации общего фосфора в период стагнации после весеннего паводка - максимального перемешивания объема воды [5, 6, 12]. Следует отметить, что основной материал для анализа получен из собственных исследований, поскольку в нашей стране в преобладающем числе работ по водохозяйственному профилю обращается внимание только на содержание фосфора фосфатов, несмотря на принятую в мировой практике тенденцию опираться на содержание общего фосфора, что более достоверно отражает трофический статус водоема. Более того, только результаты собственных работ, из-за отсутствия данных в литературе, позволили сопоставить итоги определения годовой удельной нагрузки при суммировании результатов ежемесячных определений за год и установленной наблюдениями в период стагнации водоемов после весеннего паводка (табл. 1). Таблица 1. Удельные годовые биогенные нагрузки по результатам наблюдения в период стагнации водоемов Урала, после весеннего паводка и полученные суммированием за год ежемесячных результатов по определению поступления общего фосфора, гР/м2год
Table 1. Specific annual biogenic loads according the observation results during the period of the Ural water bodies stagnation, after spring flood and obtained by summing up
monthly results by the input of total phosphorous, gP/m2per year
Водоем Суммирование, гР/м2год Период весеннего половодья, гР/м2год Относительная ошибка, %
Озеро Шарташ 2,1 1,89 10,0
Озеро Балтым 1,S5 1,99 10,1
Озеро Сосновское 2,59 2,82 - 8,1
Волчихинское 0,59 0,63 6,8
водохранилище
Юмагузинское 2,5S 2,97 -15,05
водохранилище
Павловское водохранилище 0,37 0,33 10,8
Озеро Иртяш 0,1б 0,15 - 6,25
Нижне-Туринское 0,S7 0,91 -10,5
водохранилище
В табл. 1 представлены результаты исследований, проведенных на водоемах Среднего и Южного Урала, а также на территории Башкирии (Павловское и Юмагузинское водохранилища). Учитывая, что погрешности определения объемов и площадей водоемов находятся в пределах ± 10 %, полученные дан-
ные подтверждают правомерность определения удельной фосфорной нагрузки по концентрации общего фосфора в период стагнации водоемов после весеннего половодья [1- 3, 5-9].
Взаимосвязь концентрации фитопланктона с содержанием хлорофилла при «цветении» водорослей
Решение этого вопроса заметно упрощает определение такой важной характеристики, как усредненная концентрация фитопланктона в водоеме за вегетационный период. В работе [13] взаимосвязь биомассы водорослей и хлорофилла а для волжских водохранилищ определяется уравнением:
Б = (0,225 ± 0,010) • Х , (1)
где Б - сырая биомасса фитопланктона, мг/дм3,
Х - концентрация хлорофилла а, мкг/дм3.
На основе анализа данных, представленных в работе [14] и (табл. 2), в которой приведены обобщения по более широкому перечню водоемов, получено три уравнения зависимости биомассы фитопланктона (Y, мг/дм3) от содержания хлорофилла а (X, мг/м3): при минимальных величинах соотношения концентрации хлорофилла а и биомассы фитопланктона (уравнение 2); при максимальных (3) и средних (4) при коэффициенте аппроксимации (R2) от 0,9862 до 0, 9987:
Б = 0,0128 X162 (2)
Б = 0,008 X172 (3)
Б = 0,0117 X165 (4)
Таблица 2. Показатели трофического статуса водоемов
по концентрации хлорофилла а и биомассы фитопланктона
(средние за вегетационный период величины) [14]
Table 2. The water bodies' trophic status indicators in terms of chlorophyll a
concentration and phytoplankton biomass (average values over the vegetation period) [14]
Трофический тип Концентрация хлорофилла а мг/м3 Биомасса фитопланктона, мг/дм3
Олиготрофный <5-10 < 0,1-0,5
Мезотрофный 11-20 0,6-2,0
Эвтрофный 21-75 2,1-10,0
Политрофный 76-150 10-50,0
Гипертофный 150-250 и> > 50-100
При расчетах по уравнениям (1) и (4) (см. табл. 2) обнаружено значительное расхождение результатов, в связи с чем на ряде водоемов Урала были проведены исследования взаимосвязи между концентрацией фитопланктона и содержанием хлорофилла а. На рис. 1 представлена графическая зависимость взаимосвязи между средними за вегетационный период концентрациями хлорофилла а и биомассой фитопланктона для шести водоемов Урала (Верхне-Макаровское водохранилище, 2016 г.; оз. Иртяш, 2017 г.; оз. Большие Касли, 2017 г.; оз. Сазоново, 2017 г.; оз. Большая Нанога, 2017 г.; Верхне-Тагильское водохранилище, 2021, 2022 гг.).
(S)
Взаимосвязь описывается уравнением (5) с коэффициентом аппроксимации И2 = 0,9887:
Б = 6,1661п(Х) - 11,371 И2 = 0,9887
В табл. 3 представлены результаты определения усредненных концентраций хлорофилла а, биомассы фитопланктона в водоемах Урала, результаты и погрешности сравнительных расчетов по уравнениям (1), (4) и (5).
100
Усредненная концентрация хлорофилла о, мкг/дм3 Рис. 1. Взаимосвязь между усредненными за вегетационный период концентрациями хлорофилла а и биомассой фитопланктона в шести уральских водоемах.
Fig. 1. Interconnection between chlorophyll a concentration and phytoplankton biomass averaged over the vegetation period in six Ural water bodies.
Наиболее достоверная взаимосвязь концентрации фитопланктона с концентрацией хлорофилла а для водоемов Уральского региона отражается уравнением (5). Однако при проведении расчетов по трем уравнениям для мезотрофного (Верхне-Выйское водохранилище) и политрофного (Белоярское водохранилище) водоемов погрешности колеблются в пределах 56-300 %. (табл. 3). Значительные различия в соотношениях между концентрацией хлорофилла а и биомассой фитопланктона, получаемые по уравнениям (1), (4) и (5) для одних и тех же водоемов, указывают, скорее всего, на то, что уравнения получены для различных комбинаций видов водорослей, в разных природных зонах и при разной антропогенной нагрузке.
Поскольку известно, что для водорослей различного вида содержание хлорофилла а в единице биомассы может значительно различаться, а соотношение видов определяется в современных обстоятельствах не только природными условиями, но и антропогенной нагрузкой, получить универсальное уравнение, отражающее соотношение концентрации хлорофилла а и биомассы фитопланктона для водоемов, расположенных в различных природных зонах с различным уровнем влияния хозяйственной деятельности, не представляется возможным. Спорным остается вопрос и об «универсальном» уравнении для водоемов одной природной зоны, но с различной биогенной нагрузкой, в т. ч. и антропогенной.
Таблица 3. Усредненные за вегетационный период концентрация хлорофилла а (мкг/дм3), биомасса фитопланктона (мг/дм3) и сравнительные результаты расчетов по уравнениям (1), (4) и (5) Table 3. Chlorophyll a concentration (mkg/dm3), phytoplankton biomass (mg/dm3) averaged over the vegetation period and comparative calculation results according the equations (1), (4), and (5)
Водоем Хлорофилл а, мкг/дм3 Биомасса, Урав- Урав- Урав- Погрешность, %
мг/дм3 нение 1 нение 4 нение 5 1 4 5
Верхне-Макаровское 44,4 12,9 9,9 6,16 12,018 20,9 52,2 6,8
водохранилище, 2016 г.
Оз. Иртяш, 2017 г. 25,6 7,9 5,76 2,46 8,62 27,0 68,9 11,4
Озера Большие Касли, 88,4 16,0 19,89 19,04 16,26 -24,3 19,0 1,62
Сазоново, Большая
Нанога, 2017 г.
Верхне-Тагильское вдхр, 8,87 2,3 2,0 0,44 2,08 13,0 80,9 -9,56
2021 г.
Верхне-Тагильское вдхр, 15,5 4,5 3,5 1,07 5,52 22,2 76,2 22,9
2022 г.
Средняя погрешность 21,5 59,4 10,5
Верхне-Выйское вдхр 4,42 0,633 0,99 0,135 -2,2 -56,4 78,7 322
Белоярское вдхр 38,48 26,49 8,658 4,82 11,136 67,3 81,8 57,1
Выбор методов реабилитации водоемов макрофитного типа
При отсутствии информации о потоках биогена в водоем, его площади, средней глубине и времени водообмена определение трофического статуса макрофитного водоема производится по степени зарастания (покрытия) высшей водной растительностью его акватории, видовому составу высших водных растений.
Степень зарастаемости водного объекта в значительной степени зависит от соотношения прозрачности воды к средней глубине (коэффициента относительной прозрачности). На рис. 2 представлен график взаимосвязи между коэффициентом прозрачности и степенью зарастаемости водоема (уравнение 6)1.
У = 52,747Х - 0,2637, (6)
где У - степень зарастания, %;
Х - коэффициент относительной прозрачности.
В табл. 4 представлены данные о взаимосвязи между коэффициентом прозрачности, типом водоема и степенью зарастаемости.
Анализ причин, вызывающих повышение продуктивности озер, прудов и водохранилищ, показал, что основой этого в более 90 % случаев является повышенное соотношение содержания общего фосфора по отношению к общему азоту (> 1 : 7). В олиготрофных и слабоминерализованных водоемах с
1 02егалп&. Режим доступа: coefficient-relative-transparency.
90 80 ^ 70
t 60
0
® SO g
Л 40
ПЗ
<n
J 30
1 Hi
£ 20 С
10 0
Коэффициент относительной прозрачности Рис. 2. Взаимосвязь между коэффициентом прозрачности и степенью зарастаемости водоемов. Fig. 2. Interconnection between the transparence index and the water bodies overgrowing degree.
Таблица 4. Взаимосвязь между коэффициентом прозрачности, типом озер и степенью зарастаемости [15] Table 4. Interconnection between the transparence index, the lake type and the overgrowing degree [15]
1 |i = 52,747: <- 0,2637
R3 = 0, 9836
0 0, ,2 0, ,4 0, ,6 0,8 1 1, ,2 1, ,4 ij
Коэффициент относительной прозрачности Степень
№ Название Тип водоема зарастаемости, %
1 Оптически очень мелководные озера (олигофотобатные) < 0,25 Фитопланктонный (планктонотрофный) 5 -10
2 Оптически мелководные озера (олигомезофотобатные) 0,25-0,50 Фитопланктонный (планктонотрофный) 10 - 20
3 Оптически среднеглубокие (мезофотобатные) 0,5-1,0 Фитопланктонно-макрофитный (бентопланктотрофного типа, гармоничного) до 50
4 Оптически глубокие (мезополифотобатные) 1-2 Макрофитный (бентотрофный) > 50
5 Оптически очень глубокие (полифотобатные) 2 - 4 Макрофитный бентотрофный до 100
прозрачной водой среди погруженных макрофитов господствуют низкорослые растения: мхи, ивоэтиды (полушниковые), при более высокой минерализации - харовые водоросли. В мезотрофных озерах биомасса погруженной растительности и занимаемые ею площади максимальны, видовой состав наиболее богат, преобладают высокорослые элодеиды (элодея, роголистник, лютик, уруть, широколистные рдесты), вытесняющие низкорослые харовые водоросли.
Свидетельством приближения критического уровня нагрузки является массовое развитие нитчатых водорослей. Возрастание эвтрофирующего воздействия приводит к срыву макрофитной экосистемы, резкой активизации фитопланктона и переходу экосистемы к обычному фитопланктонному типу. При нарастании эвтрофирующего воздействия наблюдаются закономерные изменения в видовом составе макрофитов (главным образом, погруженных).
При определении трофического статуса макрофитного водоема на основе информации о степени зарастания необходимо учитывать и тот факт, что биомасса макрофитов может значительно колебаться в зависимости от складывающихся условий (например, возрасти по естественным климатическим причинам) [16].
Для любого водоема существует оптимум развития макрофитов в конкретный исторический момент его жизни как водного объекта [17, 18], который может отличаться от фактически определенного в любую сторону. В связи с этим необходимо установить оптимальную степень зарастания водной растительностью, сопоставить с фактической. При превышении фактической степени зарастания оптимальной водоем относится к эвтофному типу.
Для определения трофического статуса оптически глубоких и оптически очень глубоких водоемов необходимо также воспользоваться данными об удельной биогенной нагрузке и графиками Фолленвайдера, отражающими взаимосвязь между этими данными и либо средней глубиной, либо отношением проточности к средней глубине. Как показывает опыт, данные водоемы при практически полной зарастаемости высшей водной растительностью по показателю концентрации хлорофилла или биомассы фитопланктона относятся к олиготрофным либо мезотрофным водным объектам.
Оптимальная степень зарастания водной растительностью для водоемов рассчитывается по следующему уравнению [18]:
Бопт = IF (Lat < 55) THEN (56,5х(Б/Нср)) ELSE (23,6 х( S/Нср)), (7) где Бопт - оптимальная степень зарастаемости водоема макрофитами, %;
Lat - географическая широта, 0с.ш.;
S - прозрачность в метрах по диску Секки;
Нср - средняя глубина водоема в метрах.
Оптимальная годовая продукция макрофитов (ккал/м2-год) в водоеме рассчитывается по уравнению [17]:
Ропт = 10л(2,21 + 1,08 Lg (Бопт) - 0,49 (90 / (90 - Lat)). (8)
Полученное значение указывает на оптимальную продукцию макрофитов за год, выраженную в ккал/(м2-год). 1 ккал соответствует 0,217 г органического вещества биомассы высшей водной растительности, 0,25 г сухого вещества биомассы - 1,56 г сырой массы растений [18].
Оптимальной продукцией макрофитов в водоеме для конкретных условий окружающей среды считается исчисляемая величина с учетом погрешности в пределах 20 %. При этом стоит учитывать и тот факт, что биомасса макро-фитов может значительно возрасти по естественным климатическим причинам, вплоть до удвоения среднего значения [15]. Если фактический уровень
продукции макрофитов укладывается в величину, рассчитанную для системы диагностики биологической продуктивности, с учетом 20 % погрешности, то данный водоем не испытывает избыточной нагрузки по фосфору. Если же расчетный уровень продукции макрофитов выше оптимального, и это подтверждается наблюдениями в течение трех лет подряд, такой водоем предлагается считать избыточно нагруженным фосфором. Чрезмерно высокая продукция макрофитов, наблюдаемая в течение 1-2 лет, но возвращающаяся к расчетным величинам на третий год, будет указывать на климатическую обусловленность таких продукционных пиков на водоеме.
В первую очередь, необходимо представлять концентрацию фосфора в воде, характерную для естественных процессов в водном объекте, чтобы понимать степень возможного снижения фосфорной нагрузки, поскольку снизить ее ниже фоновой не представляется возможным и целесообразным. Для этого следует воспользоваться морфоэдафическим индексом (МЭИ), позволяющим рассчитать концентрацию биогена в воде, характерную для естественных процессов в исследуемом водоеме:
МЭИ = £ , (9)
где МЭИ - морфоэдафический индекс;
С - средняя величина электропроводности воды (|is/cm при 20 °С);
Н - средняя глубина, м.
Концентрация общего фосфора в данном случае рассчитывается по уравнению:
Lg|P| = 0,75 + 0,27 (±0,11) ■ Lg МЭИ [19]. (10)
Оптимальная степень зарастания водоема водной растительностью рассчитывается по уравнению (7), годовая продукция макрофитов (ккал/м2 год) в конкретном водоеме - по уравнению (8). Пересчет килокалорий в биомассу макрофитов представлен выше.
Если в водоеме фактическая продукция макрофитов выше рассчитанной для системы диагностики биологической продуктивности, с учетом 20 % погрешности, то данный водоем нуждается в снижении дополнительной фосфорной нагрузки на величину, равную Рфакт - Pmac = Рдоп (ккал/м2 год).
Содержание общего фосфора (мкг/л), которое обеспечит оптимальную продукцию макрофитов, составляет [18]:
TP = 1000 х ((SDA х 4 х 10-6 х Р х 2(Tem-12) : 10 х F +
ter eu
+ 0,00003 х Р ) х (1-5 : (5 + D : T )) х T ) : D , (11)
re7 4 4 mean w7/ w' mean
где ТР - содержание общего фосфора, мкг/л;
SDA - удельный водосбор;
Pter - продукция растительности на водосборе, ккал/м2 год;
Tem - среднегодовая температура воздуха, о С;
Feu - фактор эвтрофирования, при отсутствии антропогенной нагрузки = 1;
Pre - годовая сумма осадков, мм/год;
Dmean - средняя глубина озера, м;
Tw - время пребывания воды в озере, год; Pter - продукция растительности на водосборе, ккал/м2 год. Продукция растительности на водосборе определяется по формуле 12 [17]: Pter = (3000 : (1 + EXP (1,315 - 0,119 TJ) х 4, (12)
где Pter - продукция растительности на водосборе, ккал/м2 год; Tej - среднегодовая температура воздуха, оС.
Необходимое снижение продукции макрофитов составит: Рдоп х 0,25 г сухой биомассы на м2 в год или Рдоп х 1,56 г сырой биомассы на м2 в год.
Для обеспечения снижения продукционной деятельности необходимо снизить количество общего фосфора на единицу площади водоема 0,25 Рдоп х 1,65 мг на м2 в год. Необходимое снижение количества поступающего в водоем фосфора в год составит 0,25 Рдоп х 1,65 х Бм мг в год (Бм - площадь зарастания водоема макрофитами, м2, равная Бобщ х Mcov : 100).
Далее проводится ранжирование источников поступления общего фосфора по величине вносимого ими биогена, выделяются наиболее значимые, намечаются методы их инактивации, определяется степень возможного лимитирования, прогнозируется снижение продукции и степени зарастаемо-сти водоема макрофитами [12]. Планируемое содержание общего фосфора не должно быть выше рассчитанного по уравнению (11).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ результатов собственных исследований, проводимых в течение достаточно длительного периода на водоемах Среднего, Северного и Южного Урала, а также на территории Башкортостана (Павловское и Юмагузинское водохранилища), показал, во-первых, правомерность определения удельной фосфорной нагрузки по концентрации общего фосфора в период стагнации водоемов после весеннего половодья и, во-вторых, что для одних и тех же водоемов. Значительные различия в соотношениях между концентрацией хлорофилла а и биомассой фитопланктона, рассчитанных по уравнениям и полученных при прямых исследованиях, указывают на невозможность универсального уравнения, отражающего соотношение этих величин.
Представленная методика выбора методов реабилитации (деэвтрофика-ции) водоемов макрофитного типа, обоснованная как результатами собственных исследований, так и итогами анализа работ отечественных и некоторых зарубежных ученых на настоящий момент является, по существу, единственным в России документом, направленным на решение подобной задачи, позволяющим определить оптимальные пути воздействия при необходимости улучшения состояния зарастающих водоемов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов А.Н., Павлюк Т.Е., Мухутдинов В.Ф., Загайнова Е.В., Полыгалов А.С., Сандалова В.В., Бутакова Е.А., Ушакова О.С. Исследование состояния водоема для выбора приоритетных действий по экологической реабилитации (на примере Волчихинского водохранилища) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 4. С. 170 - 196. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-4-8.
2. Мухутдинов В.Ф., Гневашев М.Г., Попов А.Н., Бутакова Е.А. Оценка экологического состояния Черноисточинского водохранилища / Мат-лы II Межд. научной конф. «Озерные
экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды». Минск - Нарочь, 2003. С. 182-185.
3. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Бердышева Г.В., Гневашев М.Г. Формирование химического и гидробиологического состава вод Волчихинского и Верхне-Макаровского водохранилищ // Охрана природных вод России. Екатеринбург, 1992. С. 155-176.
4. Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф. Продукционные характеристики фитопланктона Белояр-ского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2004. Т. 6. № 3. С. 243-263.
5. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Носаль А.П., Гневашев М.Г., Вайтнер Е.В., Мухутдинов В.Ф. Один из аспектов улучшения качества воды водохранилищ хоз. питьевого назначения (на примере Верх-Исетского водохранилища) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2005. Т. 7. № 2. С. 177-184.
6. Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф., Павлюк Т.Е. Качество воды р. Белой в створе Юмагузинско-го водохранилища до и после зарегулирования. Ч. 1. Изменение солевого состава, биогенных и органических веществ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2007. № 6. С. 57-79.
7. Попов А.Н., Павлюк Т.Е., Мухутдинов В.Ф., Загайнова Е.В., Полыгалов А.С., Иманова В.В., Милицина О.А., Бутакова Е.А. К вопросу об апробации «Пособия по выбору приоритетных действий, направленных на экологическую реабилитацию водоёмов». Сообщение 1. Выбор методов реабилитации малопроточных водоемов (на примере озера Иртяш) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. № 3. 2018. С. 50-74. DOI: 10.35567/1999-4508-2018-3-4.
8. Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф., Павлюк Т.Е., Загайнова Е.В., Фоминых А..С., Полыгалов А.С., Бутакова Е.А. Программа реабилитации Верхне-Макаровского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2007. № 6. С. 305-314.
9. Попов А.Н., Павлюк Т.Е., Мухутдинов В.Ф., Иманова В.В., Фоминых А.С., Полыгалов А.С. О реабилитации Северского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2007. № 6. С 287-296.
10. Попов А.Н., Третьякова А.Н., Сечкова Н.А, Оболдина Г.А. Санитарное состояние Нижне-Сысертского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2007. № 6. С. 273-278.
11. Пашкевич А.И., Мухутдинов В.Ф. Прогнозирование трофического типа водоема и роли микро- и макрофитов в создании органического вещества в нем / Областная конф. молодых ученых и специалистов «Научные основы охраны природы Урала и проблемы экологического мониторинга в соответствии с решениями XXVI съезда КПСС». Свердловск, 1985.
12. Попов А.Н. Допустимый привнос биогенных элементов в водоемы с замедленным и умеренным водообменом // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2020. № 4. С. 68-88. DOI: 10.35567/1999-4508-2020-4-5.
13. Минеева Н.М., Корнева Л.Г., Соловьева В.В. Содержание хлорофилла а в единице биомассы фитопланктона Волжского каскада (Россия) // Альгология. 2014. Т. 24. № 4. С. 477-488.
14. Мартынова М.В. Внутренняя биогенная нагрузка и экспериментальные способы ее оценки: сб. Изучение взаимодействия в системе «вода - донные отложения». Ереван: Изд-во АН Арм. ССР, 1987. С. 29-39.
15. Зарубина Е. Ю. Влияние уровенного режима Новосибирского водохранилища на продукцию водных и прибрежно-водных фитоценозов / науч. ред. А.Г. Лапиров, Д.А. Филиппов, Э.В. Гарин: мат-лы VIII Всеросс. конф. с междунар. участием по водным макрофитам, пос. Борок, 16-20 октября 2015 г. Ярославль: Филигрань. С. 14-16.
16. Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб.: Наука, 2000. 147 с.
17. Бульон В.В. Биотический поток вещества и энергии в системе «озеро и его водосбор» // Успехи современной биологии. 2018. Т. 138. № 5. С. 503-513.
18. Бульон В.В. Диагностика биологической продуктивности озерных экосистем // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 3. С. 110-127. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-3-6.
19. Premazzi G., Cardoso A.C. Criteria for the identification of freshwater subject to eutrophication. Final Report EI-JRC I-21020 Ispra ITALY. European Commission. 2001. 66 p.
REFERENCES
1. Popov A.N., Pavluk T.Y., Mukhutdinov V.F., Zagaynova E.V., Polygalov A.S., Sandalova V.V., Buta-kova E.A., Ushakova O.S. Research of a water body state for selection of the priority actions on ecological rehabilitation (the Volchikha reservoir as a study case). Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2019. No. 4. P. 170-196. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-4-8 (In Russ.).
2. Mukhutdinov V.F., Gnevashev M.G., Popov A.N., Butakova E.A. Assessment of ecological status of the Chernoistochinsk Reservoir. Proceedings of II International scientific conference. Lacustrine ecosystems: biological processes, anthropogenic transformation, and water quality. Minsk-Naroch, 2003. P. 182-185 (In Russ.).
3. Popov A.N., Brayalovskaya V.L., Berdysheva G.V., Gnevashev M.G. Formation of chemical and hydro/biological structure of the Volchikha and Verkhne-Makarovo reservoirs. Okhrana prirodnykh vod Rossiyi [Protection of the natural waters of Russia]. Ekaterinburg, 1992. P. 155-176 (In Russ.).
4. Popov A.N., Mukhutdinov V.F. Production characteristics of the Beloyarka Reservoir phytoplank-ton. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2004. Vol. 6. No. 3. P. 243-263 (In Russ.).
5. Popov A.N., Brayalovskaya V.L., Nosal A.P., Gnevashev M.G., Waitner E.V., Mukhutdinov V.F. One of the aspects of the domestic/drinking water reservoirs water quality improvement (the Verkh-Iset Reservoir as a study case). Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2005. Vol. 7. No. 2. P. 177-184 (In Russ.).
6. Popov A.N., Mukhutdinov V.F., Pavluk T.Y. The Belaya River water quality in the range of the Yumaguzinsk Reservoir before and after the regulation. Part 1. The change of saline, nutrients and organic matter composition. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2007. No. 6. P. 57-79 (In Russ.).
7. Popov A.N., Pavluk T.Y., Mukhutdinov V.F., Zagaynova E.V., Polygalov A.S., Imanova V.V., Militsi-na O.A., Butakova E.A. On the issue of approval of the "Manual on selection of the priority actions aimed at ecological rehabilitation of water bodies'! Communication 1. The choice of rehabilitation methods for low-running water bodies (the Lake Irtyash as a study case). Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. No. 3. 2018. P. 50-74. DOI: 10.35567/1999-4508-2018-3-4 (In Russ.).
8. Popov A.N., Mukhutdinov V.F., Pavluk T.Y., Zagaynova E.V., Fominykh A.S., Polygalov A.S., Buta-kova E.A. Программа реабилитации Верхне-Макаровского водохранилища. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2007. No. 6. P. 305-314 (In Russ.).
9. Popov A.N., Pavluk T.Y., Mukhutdinov V.F., Imanova V.V., Fominykh A.S., Polygalov A.S. About the Seversk Reservoir rehabilitation. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2007. No. 6. P. 287-296 (In Russ.).
10. Popov A.N., Tretyakova A.N., Sechkova N.A., Oboldina G.A. The Nizhne-Sysert Reservoir sanitary status. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2007. No. 6. P. 273-278 (In Russ.).
11. Pashkevich A.I., Mukhutdinov V.F. Forecasting of a water body trophic type and the role of micro- and macrophytes in formation of organic matter in it. Oblastnaya conf. molodykh uchenykh i spetsialistov. Scientific foundations of the Ural nature protection and the environmental monitoring problems in accordance with the resolutions of XXVICPSU congress. Sverdlovsk, 1985 (In Russ.).
12. Popov A.N. Permissible input of nutrients to water bodies with slowed and moderate water exchange. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2020. No. 4. P. 68-88. DOI: 10.35567/1999-4508-2020-4-5 (In Russ.).
13. Mineyeva N.M., Korneva L.G., Solovyeva V.V. Chlorophyll a content in a unit of the Volga Cascade (Russia) phytoplankton biomass. Algology. 2014. Vol. 24. No. 4. С. 477-488 (In Russ.).
14. Martynova M.V. Internal biogenic load and experimental methods of its assessment: sb. Izucheniye vzaimodeystviya v sisteme "voda-donniye otlozheniya" [Studying of interaction within the "waterbottom sediments" system".] Yerevan. Izd-vo AN Arm. SSR, 1987. P. 29-39 (In Russ.).
15. Zarubina E.Y. Impact of the Novosibirsk Reservoir level regime on the water and bank-water phy-tocenosis production. Edited by A.G. Lapirov, D.A. Filippov, E.V. Garin: materialy VIII Vseross. konf. s mezhdunar. uchastiyem po vodnym makrofitam [proceedings of VII all-Russian conference with international participation devoted to aquatic macrophytes], Borok, October 16-20, 2015. Yaroslavl: Filigran. P. 14-16 (In Russ.).
16. Alimov A.F. Elements of the theory of aquatic ecosystems functioning. SPb: Nauka [Science], 2000. 147 p. (In Russ.).
17. Bulyon V.V. Biotic flow of matter and energy in the "lake and its catchment" system. Uspekhi sovremennoy biologiyi [Achievements of contemporary biology]. 2018. Vol. 138. No. 5. P. 503-513 (In Russ.).
18. Bulyon V.V. Diagnostics of the lake ecosystems biological production rate. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2019. No. 3. P. 110-127. DOI: 10.35567/1999-4508-20193-6 (In Russ.).
19. Premazzi G., Cardoso A.C. Criteria for the identification of freshwater subject to eutrophication. Final Report EI-JRC I-21020 Ispra ITALY. European Commission. 2001. 66 p.
Сведения об авторах:
Попов Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий отделом научно-методического обеспечения восстановления и охраны водных объектов, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» Уральский филиал, Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира 23; е-mail: wrm@wrm.ru
Мухутдинов Валерий Фаметдинович, канд. биол. наук, главный специалист отдела научно-методического обеспечения восстановления и охраны водных объектов, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» Уральский филиал, Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира 23; е-mail: wrm@wrm.ru About the authors:
Aleksandr N. Popov, Professor, Doctor of Technical Sciences, Head, Department of scientific/ methodological Support of Water Bodies Restoration and Protection, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection Ural Branch, ul. Mira, 23, Ekaterinbirg, 620049, Russia; е-mail: wrm@wrm.ru
Valery F. Mukhutdinov, Candidate of Biological Sciences, Chief Expert, Department of scientific/methodological Support of Water Bodies Restoration and Protection, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection Ural Branch, ul. Mira, 23, Ekaterinbirg, 620049, Russia; е-mail: wrm@wrm.ru
