CC BY
23
УДК 504
I СЕЗОННАЯ
1 ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДАХ ВОДОХРАНИЛИЩ ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
DOI: 10.24411/1816-1863-2019-14012
С. В. Суслов, к. г. н., ст. преподаватель кафедры земледелия и растениеводства ФГБОУ ВО «Государственный университет по землеустройству», В. С. Груздев, к. т. н., д. г. н., доцент, заведующий кафедрой строительства ФГБОУ ВО «Государственный университет по землеустройству», М. А. Хрусталева, к. г. н., с. н. с. кафедры физической географии и ландшафтоведения Географического факультета ФГБОУ ВО «МГУ им. М. В. Ломоносова»
Установлено наличие сезонной динамики в содержании биогенных элементов в воде Волжского водоисточника. По всем точкам отбора проб наблюдается м инимум содержания соединений азота и фосфора в теплый период года, что очевидно связано с процессом ассимиляции их водной растительностью. Отсутствие пиковых концентраций биогенных элементов в весенний период показывает на то, что за последние десятилетия на водосборе Верхней Волги практически сокращена сельскохозяйственная деятельность, для которой характерно весеннее внесение удобрений без соблюдения норм и правил, риск смыва их при поступление стоков от животноводческих комплексов от накопленного навоза за зимний период. В такой ситуации главным источником поступления биогенных загрязнителей становится малоэтажная жилая застройка, дачные товарищества, в том числе расположенные в водоохранной зоне водохранилищ. Уменьшение освоенности водоохранных зон Учинского и Пестовского водохранилищ коррелирует с меньшим содержанием биогенных элементов практически по всем сезонам. Для уменьшения поступления их величин с поверхности ландшафтов водосбора необходимо создавать по пути стока вод, задерживающие их, биогеохимические барьеры.
The presence of seasonal dynamics in the content of nutrients in the water of the Volga source is established. For all sampling points there is a minimum content of nitrogen and phosphorus compounds in the warm season, which is obviously associated with the process of assimilation of aquatic vegetation. The absence of peak concentrations of nutrients in the spring period shows that in recent decades there is practically no agricultural activity in the upper Volga catchment area, which is characterized by spring fertilization and the risk of manure flushing accumulated during the winter period. In this situation, the main source of biogenic pollutants becomes low-rise residential buildings, including in the water protection zone of the reservoirs. Reducing the development of water protection zones the Uchinskiy and Pestovo reservoirs is correlated with a lower content of biogenic elements in almost all seasons.
Ключевые слова: водохранилища, природные воды, водосборный бассейн, ландшафты, эвтро-фирование, биогены, биохимические процессы, макрофиты.
Keywords: reservoirs, natural waters, catchment area, landscapes, eutrophication, biogens, biochemical processes, macrophytes.
Введение
Природные воды — важнейший компонент биосферы и ландшафтов. В настоящее время природные воды подвергаются постоянному воздействию, связанному с хозяйственной деятельностью человека. В прошлые века человеком использовались в основном воды рек и озер, но с увеличением численности населения и развитием хозяйства во многих регионах стал ощущаться недостаток воды. Это стало стимулом к созданию прудов, водохранилищ и зарегулированию стока рек, что позволило более равномерно снабжать насе-
ление и хозяйственные объекты водой необходимого качества [1].
Во второй половине ХХ века активная водохозяйственная деятельность стала одним из ведущих факторов средообразова-ния и обусловила изменение водного режима обширных территорий, что привело к нарушению сложившихся ранее природных связей и развитию негативных процессов и явлений в природной среде и социально-экономической сфере [2]. В настоящее время под воздействием человека около 20 % суши подверглись коренному преобразованию, что вызвало изменение водного и теплового режима территорий
и сукцессионные процессы во флоре, фауне и биогеоценотическом покрове территорий.
Большие изменения в ландшафты вносит создание водохранилищ. К концу ХХ века их суммарная площадь в м ире д о-стигла 400 тыс. км2 [1]. В России имеется 65 тыс. объектов гидрологического назначения, в том числе 36 тыс. водозаборных сооружений, около 10 тыс. км защитных дамб и водооградительных валов, 29 тыс. водохранилищ, прудов, накопителей жидких отходов с напорными гидротехническими сооружениями [3].
Любое водохранилище и его водосбор представляют собой единую природно-антропогенную систему. Водохранилище влияет на водосбор, вызывая подтопление почв, изменение микроклимата, а водосбор, в свою очередь, влияет на водохранилище, особенно на объем и качество его вод. Важнейшее значение для страны имеют питьевые водохранилища, снабжающие население и пищевую промышленность питьевой водой. Одним из основных источников снабжения Москвы питьевой водой является Иваньковское водохранилище, из которого по каналу имени Москвы вода поступает в Пестовское, Пяловское и связанное с ними питьевое Учинское водохранилище (рис. 1). К основным составляющим водного баланса Иваньковского водохранилища относится поверхностный сток, на долю которого приходится 97,5 % общего прихода воды, и сброс воды через гидроузел — 80 % общего расхода [4]. Общий приток воды в водохранилище за год составляет 9,52 км3. Большая часть притока воды наблюдается по среднемноголетним данным весной (43 %), в остальные сезоны — по 19 %. Зимой уровень водохранилища срабатывается на 6 м.
В последние десятилетия в связи с изменением экономической модели в стране происходит существенное изменение в характере хозяйственной деятельности, что в свою очередь меняет источники загрязнения вод. В советский период в регионе Верхневолжья, в Московской и Тверской областях развивалось сельское хозяйство, для которого типично сезонное поступление биогенных загрязнителей, связанное с внесением удобрений при обработке почвы, а также повышенной вероятностью смыва навозохранилищ
в весенний период, существенное влияние оказывала также промышленность. В настоящее время наибольшее значение начинает играть малоэтажная застройка на водосборе и непосредственно в водоохранной зоне водохранилищ. Целью исследования было оценить в первом приближении степень такого воздействия.
Методы исследования
Наши исследования содержания биогенных элементов в воде водохранилищ проводились на Иваньковском, Пестовском и Учинском водохранилищах [5]. Учинское водохранилище служит источником водоснабжения Москвы. Поступившая в него волжская вода подвергается отстаиванию, что значительно улучшает ее качество. При прогнозе качества воды большое значение имеет наличие многолетних наблюдений за химическим составом воды, донных отложений, а также мониторинг развития высшей водной растительности (макрофитов) и планктона [3, 6—8].
Источниками биогенных элементов в воде водохранилищ могут служить естественные биоценозы, в которых происходит высвобождение биогенных элементов в процессе переработки сапрофитами отмершей органики, например лиственного опада. Пик высвобождения совпадает с теплым периодом года, поскольку биологическая активность сапрофитов зависит от температуры. В естественных биоценозах с ненарушенным растительным покровом биогенные элементы ассимилируются практически на месте и не мигрируют в водоемы. Так как бассейн Верхней Волги изобилует обширными болотами, то вода отличается (особенно зимой) высокой цветностью, своеобразным вкусом и запахом.
Основная масса поступающих в водотоки биогенных элементов в современных условиях является следствием человеческой деятельности. В частности, сельского хозяйства, промышленности, коммунальных и ливневых стоков. Источником биогенных элементов в сельском хозяйстве служат животноводческие комплексы, а также органические и минеральные удобрения, вносимые при выращивании культур. Поступление биогенных элементов в данном случае носит выраженный сезонный характер, связанный с циклом сель-
СП
о
О -1
скохозяйственных работ и сезонным изменением поверхностного стока. Это внесение удобрений при весенней вспашке полей и вымывание органики из навозохранилищ при весеннем таянии снега. То есть имеет место выраженный пик поступления в весенний период. Такая динамика наблюдалась в советский период. В настоящее время в связи с существенным сокращением сельскохозяйственного производства в бассейне волжского источника, а также вдоль трассы канала имени Москвы, данный источник биогенных загрязнений практически отсутствует. Аналогичная ситуация с промышленными
источниками, за последние десятилетия в Тверской и Московской области объемы промышленного производства сократились в несколько раз. В этой ситуации в качестве основного источника поступления биогенных соединений становятся селитебные территории, находящиеся на водосборе, в том числе непосредственно в водоохранной зоне водоемов. В течение всего периода существования современной России считается престижным строительство в наиболее ценных с рекреационной точки зрения территориях, в том числе на территории водоохранных зон водоемов, служащих источником водо-
снабжения. Локальное расположение множества объектов частной застройки делает, как правило, невозможным их подключение к канализационным сетям, создание полноценной ливневой канализации с очисткой ливневых и коммунальных стоков. Для фекальных стоков используются локальные накопители с периодической откачкой. Это приводит к постоянной круглогодичной эмиссии биогенных элементов и их поступлению в водотоки.
Исследованиями ГБУ по водному хозяйству по Московской области «Мос-облводхоз» установлено, что для характеристики экологического состояния водохранилища точка наблюдений, расположенная на русловой вертикали в приплотинной части водохранилища, представляется наиболее репрезентативной в пространственном отношении, учитывая максимальные глубины в этом участке и, следовательно, наиболее полную характеристику вертикального расслоения вод. Наблюдения в этих точках рекомендуется проводить с меньшей частотой, что позволит существенно экономить затраты на мониторинг без существенной потери информации о состоянии экосистемы [9].
Хотя в целом эффективность мероприятий по снижению внешней биогенной нагрузки на водоемы довольно высока, но во м ногих случаях они оказываются недостаточными, и восстановление качества воды в водоеме не наблюдается или происходит крайне медленно [9]. Можно выделить две главные причины этой неэффективности. Во-первых, в тех водоемах, где существенным источником биогенных элементов служат донные отложения, снижение на водосборе биогенной нагрузки увеличивает диффузионный градиент концентраций этих элементов между водой и донными отложениями, ускоряя поступление содержащих их веществ из донных отложений в воду.
Эта буферная способность эвтрофных и гиперэвтрофных водоемов не даст ощутимых результатов мероприятий на водосборе до тех пор, пока не исчерпается запас биогенных веществ в донных отложениях [10].
Результаты и обсуждение
На рисунках 2—4 представлены д анные о сезонной динамике соединений азота и
фосфора в воде водохранилищ. Можно заметить, что по мере движения волжской воды по водохранилищам ее качество изменяется. Наименьшее содержание соединений азота наблюдается у Листвянской ГЭС, что определяется более строгой охраной территории водоохранных зон и меньшей их освоенностью. У Пестовской плотины весной сильно повышено содер-
Содержание нитрат иона N63
::Зима Весна Лето Осень
Рис. 2. Содержание нитрат иона в воде водохранилищ: 1 — вход в Иваньковское водохранилище; 2 — у плотины Иваньковского водохранилища; 3 — у Пестовской плотины; 4 — у Листвянской ГЭС
0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02
Содержание аммония NH4, мг/л
Зима Весна Лето Осень
Рис. 3. Содержание аммония в воде водохранилищ: 1 — вход в Иваньковское водохранилище; 2 — у плотины Иваньковского водохранилища; 3 — у Пестовской плотины; 4 — у Листвянской ГЭС
0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
Содержание фосфат иона РО4, мг/л
Зима Весна Лето Осень
Рис. 4. Содержание фосфат иона в воде водохранилищ: 1 — вход в Иваньковское водохранилище; 2 — у плотины Иваньковского водохранилища; 3 — у Пестовской плотины; 4 — у Листвянской ГЭС
сп
о
О -1
3
жание в воде нитратного азота, фосфора, х что может быть связано с их поступлением ем с поверхностным стоком с многочис-о ленных дач, расположенных в бассейне ш Пестовского водохранилища.
Повышенное содержание в воде соединений азота и фосфора здесь наблюдается круглый год, что связано также с загрязнением водоема коммунальными стоками. Можно также видеть, что воды Иваньковского водохранилища содержат больше биогенов, чем водохранилища канала имени Москвы, то есть волжская вода в процессе отстаивания и в результате внут-риводоемных процессов повышает свое качество. Наблюдаемая во всех случаях сезонная динамика биогенных соединений с минимумом в летний период связана с их ассимиляцией высшей водной растительностью и фитопланктоном. Однако ассимилированные таким образом биогенные соединения не выводятся из водоема, а накапливаются в донных отложениях, что при колебаниях гидрологического режима водоема может приводить к увеличению их содержания в воде. Увеличение поступления биогенных элементов приводит к процессам эвтрофирования и в конечном случае постоянному ухудшению качества воды.
Снизить поступление биогенных элементов может усиление мер по охране водоохранных зон, в частности ужесточение требований к устройству канализации, очистных сооружений, прекращение малоэтажной жилой застройки в водоохранных зонах водохранилищ и регулирование потока туристов. Частично уменьшить накопление органики в водохранилищах и
связанное с ним эвтрофирование может удаление высшей водной растительности в акватории водоема в летний период, что практикуется на Учинском водохранилище. Прочие известные методы — очистка донных осадков, внесение коагулянтов и т. п. эффективны только для водоемов ограниченной площади.
Следует отметить, что благодаря проводимым мероприятиям по охране состояния изученных ландшафтов, контролю со стороны природоохранных органов вода водохранилищ соответствует нормам для вод и пригодна для питьевых целей.
Заключение
Выявленная сезонная динамика биогенных элементов в водохранилищах позволяет сделать вывод о том, что основным источником их поступления в воды Волжского бассейна являются стоки, образующиеся в зонах малоэтажной застройки и иной хозяйственной деятельности в непосредственной близости от водоемов и в водоохранной зоне. Продолжение жилой застройки при отсутствии эффективных систем очистки канализации приведет очевидно к увеличению поступления биогенных элементов и дальнейшему развитию эвтрофикации. Частичное сезонное снижение биогенов в летний период связано с их поглощением водной растительностью и планктоном и не приводит к реальному снижению содержанию их в водоеме. Важно залужать прибрежные территории у водохранилищ, разрабатывать и внедрять новые инновации для улучшения и сохранения качества вод питьевых вод.
Библиографический список
1. Авакян А. Б., Салтанкин В. П., Шарапов В. А. Водохранилища // М.: Мысль. — 1987. — 325 с.
2. Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы // Отв. ред. Н. М. Новикова. М.: ИВП РАН. М.: Наука. — 2005. — 365 с.
3. Груздева Л. П., Суслов С. В., Сизова Т. Н. Формирование качества воды в Учинском водохранилище // Мелиорация и водное хозяйство. — 2001. — № 2.
4. Иваньковское водохранилище и его жизнь // Л.: Наука. — 1978. — 304 с.
5. Груздева Л. П., Суслов С. В., Груздев В. С. Водоохранные зоны водохранилищ Нечерноземья // М.: ГУЗ. — 2005. — 152 с.
6. Груздев В. С. Биоиндикация состояния окружающей среды // М.: ГУЗ. — 2008. — 142 с.
7. Груздева Л. П., Грибовская И. Ф., Петухова Л. В. Эколого-геоботанические подходы к регулированию зарастания водохранилищ Нечерноземья. Взаимоотношения компонентов биогеоценозов южнотаежных ландшафтов // Калинин (Тверь): КГУ. — 1984. — С. 131—141.
8. Груздева Л. П., Суслов С. В., Сизова Т. Н. Формирование, состав и роль донных отложений Учинского водохранилища // Мелиорация и водное хозяйство. — 2002. — № 3. С. 42—45.
9. Краткие результаты обследований водохранилищ Москворецкой системы Государственным учреждением по водному хозяйству по Московской области «Мособлводхоз» за 2007—2008 годы. и
Отчет // 2009. °
л
10. Флеров Б. А., Томилина И. И., Кливеленд Л., Баканов А. И., Гапеева М. В. Комплексная оценка состояния донных отложений Рыбинского водохранилища // Биология внутренних вод. — 2000. —
№ 2. — C. 148—155. *
SEASONAL VARIABILITY OF THE DISTRIBUTION OF BIOGENIC ELEMENTS IN THE WATERS OF THE RESERVOIRS FOR DRINKING PURPOSES
S. V. Suslov, (Geography), Senior Lecturer, Department of Agriculture and Crop Production, State University of Land Management,
V. S. Gruzdev, Ph. D. (Geography), Ph. D. (Engineering), Dr. Habil, Professor,
Head of the Department of Construction, State University of Land Management,
M. A. Khrustalev, Ph. D. (Geography), Senior Researcher, Department of Physical Geography
and Landscape Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University
References
1. Avakyan A. B., Saltankin V. P., Sharapov V. A. Vodohranilischa. [Water Reservoirs]. Moscow, Mysl'. 1987. 325 p. [in Russian].
2. Otsenka vlijanija izmenenija rezhima vod sushi na nazemnye "ekosistemy / [Assessment of the impact of land water regime change on terrestrial ecosystems]. Otv. Red. N. M. Novikova. Moscow, IVP RAN. Moscow, Nauka. 2005. 365 p. [in Russian].
3. Gruzdeva L. P., Suslov S. V., Sizova T. N. Formirovanie kachestva vody v Uchinskom vodohranilische [The formation of water quality in the water reservoir of Achinsk] Melioratsija i vodnoe hozjajstvo. 2001. No. 2. 304 p. [in Russian].
4. Ivan'kovskoe vodohranilische i ego zhizn'. [The Ivankovskoe Water Reservoir and its life]. Leningrad, Nauka. 1978. 304 p. [in Russian].
5. Gruzdeva L. P., Suslov S. V., Gruzdev V. S. Vodoohrannye zony vodohranilisch Nechernozem'ja. [Water Protection zones of the non-Chernozem Zone water reservoirs]. Moscow, GUZ. 2005. 152 p. [in Russian].
6. Gruzdev V. S. Bioindikatsija sostojanija okruzhajuschej sredy. [Bioindication of the state of the environment]. Moscow, GUZ. 2008. 142 p. [in Russian].
7. Gruzdeva L. P., Gribovskaya I. F., Petukhova L. V. Ekologo-geobotanicheskie podhody k regulirovaniju zarastanija vodohranilisch Nechernozem'ja. Vzaimootnoshenija komponentov biogeotsenozov juzhnota-jozhnyh landshaftov. [Ecological-geobotanical approach to the regulation of overgrowing of water reservoirs of the non-Chernozem Zone. Relationship between the components of biogeocenoses of the southern taiga landscapes]. Kalinin (Tver'), KGU. 1984. P. 131—141 [in Russian].
8. Gruzdeva L. P., Suslov S. V., Sizova T. N. Formirovanie, sostav i rol' donnyh otlozhenij Uchinskogo vo-dohranilischa [The formation, composition and role of sediments of the Uchinsky Water Reservoir] Mel-ioratsija i vodnoe hozjajstvo. 2002. No. 3. P. 42—45 [in Russian].
9. Kratkie rezul'taty obsledovanij vodohranilisch Moskvoretskoj sistemy Gosudarstvennym uchrezhdeniem po vodnomu hozjajstvu po Moskovskoj oblasti "Mosoblvodhoz" za 2007—2008 gody. [A brief survey of reservoirs Moskvoretsky system of the Public Institution for Water Management Across the Moscow Region "Mosoblgoz" for 2007—2008]. Otchjot. 2009 [in Russian].
10. Flerov B. A., Tomilina I. I., Klivelend L., Bakanov A. I., Gapeeva M. V. Kompleksnaja otsenka sostojanija donnyh otlozhenij Rybinskogo vodohranilischa [Comprehensive assessment of the bottom sediments of the Rybinsk Water Reservoir] Biologija vnutrennih vod. 2000. No. 2. P. 148—155 [in Russian].
17
№4, 2019
