СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРЕННОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО ФОСФОРА В ВОДЕ КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 574.5:546.18 DOI: 10.35567/1999-4508-2018-2-3

содержание растворенного неорганического фосфора в воде куйбышевского водохранилища

© 2018 г. А.В. Селезнева1, К.В. Беспалова12, В.А. Селезнев12

1 ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук», г. Тольятти, Россия

2 ФГБОУВО «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти, Россия

Ключевые слова: Куйбышевское водохранилище, биогенная нагрузка, водный сток, антропогенное эвтрофирование, неорганический фосфор, хлорофилл, загрязняющие вещества.

По данным многолетних наблюдений исследована внутригодовая изменчивость содержания растворенного неорганического фосфора в условиях антропогенного эвтрофиро- А.В. Селезнева К.В. Беспалова В.А. Селезнев

вания Куйбышевского водохранилища. Наблюдения проводили на Волге в период 2000-2015 гг. в районе Жигулевской плотины. Выше по течению реки от плотины расположено Куйбышевское, ниже - Саратовское водохранилище. Установлено, что содержание фосфора в воде имеет ярко выраженный сезонный ход, а амплитуда внутригодовых колебаний концентрации фосфора зависит от интенсивности процесса массового развития водорослей. По сравнению с 1950-ми годами амплитуда сезонных колебаний концентрации фосфора существенно увеличилась и в настоящее время составляет 0,001-0,0149 мгР/дм3, что подтверждает усиление процесса антропогенного эвтрофирования Куйбышевского водохранилища.

Выявлено, что сезонные изменения концентрации фосфора и хлорофилла «а» находятся в противофазе. Как только концентрация фосфора становиться меньше 0,010 мгР/дм3, развитие водорослей прекращается. Таким образом, растворенный в воде фосфор является критическим фактором развития водорослей в воде водохранилища. Снижение концентрации фосфора в волжской воде позволит уменьшить интенсивность и продолжительность процесса «цветения» воды на Куйбышевском водохранилище, но для этого надо ограничить поступление неорганического фосфора в водохранилище от точечных и диффузных источников загрязнения.

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

водное хозяйство России

В настоящее время особую тревогу вызывает чрезмерное поступление биогенных веществ в водохранилища Средней и Нижней Волги [1, 2] от точечных и диффузных источников загрязнения, что в условиях замедленного водного обмена способствует усилению процесса антропогенного эвтрофирования и вызывает «цветение» воды [3]. Только от точечных источников загрязнения ежегодно в Волжский бассейн сбрасывается около 13 тыс. т фосфора и 177 тыс. т азота [4].

«Цветение» воды или массовое развитие синезеленых водорослей в период летней межени оказывают негативное воздействие на формирование качества воды, что осложняет использование Куйбышевского водохранилища в качестве источника питьевого водоснабжения, порождает проблемы рыбного хозяйства и рекреации. Интенсивность и продолжительность массового развития водорослей во многом зависят от содержания в воде биогенных веществ, отвечающих за биологическую продуктивность водохранилища. Поэтому изучение содержания и режима основных биогенных элементов (азота, фосфора и кремния) имеет большое значение в условиях антропогенного эвтрофирования Куйбышевского водохранилища. Среди биогенных элементов особый интерес представляет растворенный неорганический фосфор, избыток которого вызывает массовое развитие водорослей и ухудшение качества воды, а его недостаток является сдерживающим фактором «цветения» воды.

Временные изменения содержания органического фосфора в воде Куйбышевского водохранилища изучены весьма фрагментарно, особенно это касается внутригодовых изменений. Поэтому целесообразно дать современную количественную оценку внутригодовой изменчивости неорганического фосфора на основе данных систематических многолетних наблюдений с ежемесячной дискретностью, полученных в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища в районе Жигулевской плотины.

ИССЛЕДОВАНИЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

В природных водах неорганический фосфор присутствует в растворенной форме и в виде взвесей. В данной статье исследуется растворенный неорганический фосфор, концентрация которого в природных водах очень мала - сотые, реже десятые доли мгР/дм3. Наблюдения проводили на р. Волге в районе Жигулевской плотины. Выше по течению от плотины расположено Куйбышевское, ниже - Саратовское водохранилище. Гидрохимические наблюдения проводились ежемесячно в период 2000-2015 гг. в соответствии с рекомендациями Росгидромета [5]. Отбор проб воды осуществляли батометром с глубины 0,5 м. Пробы воды фильтровали сразу после отбора: для анализа неорганического фосфора - через мембранный фильтр с порами 0,45 мкм; для определения хлорофилла «а» - через мем-

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

бранный фильтр с порами 0,6-0,9 мкм. Фильтрованную воду переливали в бутылки, изготовленные из химически стойкого стекла с притертыми пробками. Перед отбором пробы бутылки дважды ополаскивали подлежащей анализу водой и заполняли их доверху [6].

Неорганические соединения фосфора в природной воде представлены в виде ортофосфатов и полифосфатов, при этом преобладающей формой являются ортофосфаты - производные ортофосфорной кислоты H3PO4 [7] (далее фосфаты). Фосфаты в воде могут присутствовать в виде различных ионов в зависимости от величины pH воды. В волжской воде преобладающей формой являются HPO42-. Измерение концентрации фосфатов выполняли фотометрическим методом [8].

Хлорофилл «а» является репрезентативным индикатором биомассы водорослей [9] и мерой эвтрофирования водоемов при измерении откликов водоема на биогенную нагрузку. Концентрацию хлорофилла «а» определяли методом спектрофотометрирования экстракта пигмента [10]. Анализ проб воды проводили в лаборатории мониторинга водных объектов Института экологии Волжского бассейна РАН.

Полученные данные по фосфатам формировали в ряды, которые подвергали статистической обработке c использованием программы Statistica v 6.0 фирмы Stat Soft Lnc. На первом этапе исследований для каждого конкретного года формировалась выборка из 12 членов ряда, по которой определяли среднюю годовую концентрацию (S^) и амплитуду (А= Smax - Smin) внутриго-довых концентраций фосфатов. На втором этапе исследований для каждого месяца формировали выборки из 16 членов ряда (2000-2015 гг.), по которым определяли среднюю (Сср), максимальную (Cmax) и минимальную (Cmin) концентрацию фосфатов и среднее квадратичное отклонение (а).

В процессе анализа однородности полученных данных из сформированных рядов исключались непоказательные экстремальные значения. Для этого рассчитывались величины I1 и I2 по формулам:

I, = (C - С ) / о,

1 v max сру '

(1)

12 = (С - С .) / о. (2)

2 4 ср ш]п' 4 '

В случае, если 11 > 1н или 12 > 1н (где 1н - нормативное значение [11]), то взятое для анализа экстремальное значение концентрации вещества исключалось из рассматриваемого ряда данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе исследований выявлены межгодовые и внутригодовые особенности изменения концентрации фосфатов в воде Куйбышевского водохранилища. Установлено, что за период 2000-2015 гг. средняя годовая

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

концентрация фо сфатов (Б ) изменялась в диапазоне 0,051-0,084 мгР/дм3

ср

и имела небольшой линейный тренд на снижение (рис. 1). За этот же период средние годовые р асходы воды в замыкающем створе водохранилища изменялись в пределах 6159-9030 м3/с и также демонстрировали небольшой линейный тренд, на снижение (рис. 2). Вероятно, снижение расходов спосо бствует активизации массового развития водорослей, что приводит к снижению концен трации фосфатов в воде в летний период.

О гч ем го О О О О

о о о о

^ и") иЭ 00 СТ)

о о о о о о - - о о о о

гмгмгмгмгм гмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгм Год

Рис. 1. Изменение средней годовой концентрации фосфатов.

о гч гм т ^ о о о о о о о о о о

_ _ _ _ ооооооооооо гмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгмгм

Год

Рис. 2. Изменение среднего годового расхода воды в Куйбышевском водохранилище.

Амплитуда внутригодовых колебаний концентрации фосфатов (А) за период 2000-2015 гг. изменялась в широких пределах (табл. 1). Минимальные внутригодовые концентрации фосфатов (Б . ) составляли

ВодноехозяйствоРоссии № 2, 2018 г.

0,010- 0,031 мгР/дм3, максимальные (Smax) - 0,076-0,149 мгР/дм3. Соотношение S / S . изменялось от 2,6 в 2012 г. до 10,7 в 2010 г. Для этих двух

max min n / i i r, j

лет показаны внутригодовые изменения концентрации фосфатев (рис;. 3). В 22010 г. кчнцен±рация фосфатов имеет хорошо выраженный внутригодо-вой ход с минимумом в период летней, межени (июль), когда наблюдалось массовое развитие синеоеленых водорослей, и максимумом в осенний период. В 2012 г. внутригодовой ход концентрации фосфаеов существенно отличается: летний минимум концентрации выражен слабо, а максимум наблюдается в зимний период.

Таблица 1. Статистические характеристики фосфатов по годам, мгР/дм3

Год S ср А Год S ср А

2000 0,067±0,008 0,012- -0,110 2008 0,065±0,008 0,014- -0,104

2001 (0,08 У ±0,010 0,031- -0,1449 22009 0,060±0,007 0,017- -0,103

20022 0,067±0,008 0,020- -0,046 2010 0,066±0,008 0,010- -0,10^

2003 0,072±0,009 0,029- -0,105 2011 0,057±0,007 0,01(5- -0,113

22004 0,069±0,008 0,026- -0,108 2012 0,051±0,006 0,031- -0,080

2005 0,067±0,008 0,031- -0,104 2013 0,069±0,008 0,029- -0.136

2006 0,067±0,008 0,028- -0,100 2 014 0,058±0,007 0,011- -0,094

2007 0,062±0,007 0,016- -0,102 2085 0,055±0,007 0,010- -0,076

0,1

| 0,08 CL

S- 0,06 тс ' s

го

^ 0,04

I

ш

о 0,02 0

2012 г.

0,12

S 0,1

.д

g 0,08 I 0,06

го о.

■Е 0,044 ш

° 0,02 0

2010 г.

■ I

i.

5 6 7 Месяц

1 2 3 4 5 6 7 Месяц

9 10 11 12

Рис. 3.Внутригодовые изменения концентрации фосфатов.

Сравнивая полученныые результаты с данныши более ранних; наблюдений (до создания Куйбышевского водохранилища), можно утверждать, что за последние 50-60 лет концентрация минерального фосфора и амплитуда колебаний в волжской воде существенно увеличились. По данным экспедиционных наблюдений, выполнена ы1х в период 1954-1955 гг., концентра-

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

ция минерального растворенного фосфора в воде Волги колебалась в пределах 0,002-0,020 мгР/дм3. При этом отмечается, что выявить какую-либо закономерность в этих измерениях как по длине реки, так и по сезонам, не представляется возможным [12]. После создания Куйбышевского водохранилища до 1970 г. концентрация фосфатов возрастала, и ее колебания уже составляли 0,002-0,061 мгР/дм3 [13]. В период 2000-2015 гг. амплитуда колебаний концентрации фосфатов увеличилась еще значительнее и составила 0,001-0,149 мгР/дм3.

На втором этапе исследований выявлены закономерности и определены количественные показатели внутригодовой изменчивости концентрации фосфатов по данным многолетних наблюдений за период 2000-2015 гг. По результатам статистического анализа установлено, что средние месячные концентрации фосфатов (Сср) внутри года (с января по декабрь) изменялись от 0,029 до 0,095 мгР/дм3 (табл. 2). Летом (июнь-июль) наблюдались низкие 0,029-0,031 мгР/дм3, а осенью (октябрь-ноябрь) высокие 0,089-0,095 мгР/дм3 концентрации фосфатов в волжской воде. Максимальные средние месячные концентрации (Cmax) фосфатов изменялись в 2,8 раза в пределах 0,0520,146 мгР/дм3, при этом наибольшие значения концентрации отмечены в 2001, 2011 и 2011 гг. Минимальные средние месячные концентрации фосфатов (Cmin) изменялись в пределах 0,010-0,058 мгР/дм3. Среднее квадратичное отклонение (а) концентраций от средней месячной величины составило 0,010-0,025 мгР/дм3. Соотношение (Cmax/Cmin) для отдельных месяцев меняется значительно и составляет 3,4-10,7. Самые низкие значения соотношения (С / С ) наблюдаются с апреля по июль и составляют 3,4-4,2.

4 max min7 r

Таблица 2. Статистические характеристики концентрации фосфатов, мгР/дм3

Месяц C ср а C (год) max4 С /С . max min

Январь 0,074±0,009 0,015 0,113 (2011 г.) 0,037 (2000 г.) 9,2

Февраль 0,074±0,009 0,010 0,095 (2000 г.) 0,058 (2009 г.) 4,8

Март 0,074±0,009 0,015 0,107 (2000 г.) 0,052 (2009 г.) 7,3

Апрель 0,064±0,008 0,017 0,087 (2003 г.) 0,052 (2000 г.) 3,6

Май 0,047±0,006 0,025 0,122 (2001 г.) 0,010 (2015 г.) 4,2

Июнь 0,029±0,005 0,011 0,052 (2003 г.) 0,011 (2015 г.) 3,4

Июль 0,031±0,005 0,014 0,056 (2001 г.) 0,010 (2010 г.) 3,6

Август 0,043±0,006 0,022 0,070 (2001 г.) 0,025 (2014 г.) 6,4

Сентябрь 0,066±0,008 0,023 0,109 (2000 г.) 0,017 (2009 г.) 7,4

Октябрь 0,089±0,011 0,025 0,146 (2002 г.) 0,042 (2012 г.) 6,1

Ноябрь 0,095±0,011 0,022 0,136 (2013 г.) 0,047 (2012 г.) 10,7

Декабрь 0,084±0,010 0,017 0,107 (2010 г.) 0,040 (2012 г.) 7,1

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

Осредненный за многолетний период сезонный ход концентрации фосфатов имел ярко выраженный волновой характер (рис. 4), «ложбина» волны приходилась на летний, а «гребень» - на осенний период. В период зимней межени концентрация фосфатов практически не менялась, в апреле она начинала снижаться под воздействием диатомовых водорослей и достигала наименьших значений в июне-июле в период массового развития синезеле-ных водорослей.

Затем концентрация фосфатов начинала постепенно увеличиваться и достигала наибольших; значений! в ноябре, когда развитие водорослей полностью прекращалось. Следовательно, волновой характер сезонной изменчивости концентрации фосфатов, в большей степени, обусловлен процессом развития водорослей. В рамках конкретного года амплитуда и период сезонных колебаний концентрации фосфатов зависели от интенсивности процесса массового развития водорослей на водохранилищах;. Чем масштабнее и интенсивнее шел процесс массового развития водорослей, тем больше становилась амплитуда сезонных колебаний концентрации фосфатов в воде. На масштаб и интенсивность развития водорослей значительное влияние оказывают температура и расход воды на водохранилищах.

Месяц

Рис. 4. Внутригодовая изменчивость концентрации фосфатов (Т, ± - вертикальные планки погрешностей).

В маловодные годы, например в 2010 г., когда температура воды увеличивалась, а расходы воды падали, амплитуда сезонных изменений концентрации фосфатов существенно вырастала и составляла 0,010-0,107 мгР/дм3. Таким образом, из-за массового развития синезеленых водорослей концентрация фосфатов изменялась в 10,7 раз. Более того, сезонные измене-

ВодноехозяйствоРоссии № 2, 2018 г.

ния концентрации фосфатов и хлорофилла «а» находились в противофазе (рис. 5). После того, как концентрация фосфатов стала ниже 0,010 мгР/дм3, развитие водорослей прекратилось. Следовательно, растворенные в воде фосфаты являются критическим фактором развития водорослей в воде водохранилищ. Снижение концентрации фосфатов в волжской воде позволит уменьшить интенсивность и продолжительность процесса «цветения» воды на Куйбышевском водохранилище, но для этого надо ограничить поступление неорганического фосфора от точечных и диффузных источников загрязнения.

Однако в настоящее время снизить поступление фосфатов в Куйбышевское водохранилище, хотя бы от точечных источников, не представляется возможным, т. к. при существующей системе нормирования сброса загрязняющих веществ в со ставе сточны1х вод в качестве критерия нормирования используются предельно допустимые концентрации, которые не учитывают прир одны1х особенностей водны1х объекте в.

ВЫВОДЫ

По данныш многолетних; (2000-2015 гг.) наблюдений! определены1 количественные параметры внутригодовой изменчивости концентрации фосфатов в воде Куйбышевского водохранилища. Установлено, что вну-тригодовой ход концентрации фосфатов имеет ярко выраженный волновой характер и зависит от интенсивности и продолжительности развития водорослей. Минимальные концентрации фосфатов или «ложбина» волны

Водноехозяйство России № 2, 2018 г.

приходятся на летний период, максимальные концентрации или «гребень» волны - на осенний период. В период зимней межени концентрация фосфатов практически не меняется, в апреле она начинает постепенно снижаться под воздействием диатомовых и зеленых водорослей и достигает наименьших значений в июле-августе в период массового развития синезеленых водорослей. Осенью, при понижении температуры воды и окончании периода вегетации, концентрация фосфатов в воде начинает увеличиваться.

По результатам анализа полученных данных и литературных источников установлено, что амплитуда внутригодовых колебаний концентрации фосфатов в волжской воде постепенно увеличивается, что свидетельствует об усилении процесса антропогенного эвтрофирования Куйбышевского водохранилища. В 1950-х годах амплитуда внутригодовых колебаний концентрации фосфатов в волжской воде составляла 0,002-0,020 мгР/дм3, через 20 лет она увеличилась до 0,002-0,061 мгР/дм3, а в настоящее время достигла 0,001-0,149 мгР/дм3. Усиление процесса эвтрофирования водохранилища, вероятнее всего, обусловлено возрастанием биогенной нагрузки в бассейне Волги и глобальным потеплением климата.

Внутригодовые изменения концентрации фосфатов и хлорофилла «а» в воде водохранилища находятся в противофазе, такая обратная связь особенно ярко наблюдается в маловодные годы. Когда концентрация фосфатов в воде становится меньше 0,010 мгР/дм3, развитие водорослей практически прекращается. Следовательно, растворенные в воде фосфаты являются лимитирующим фактором развития водорослей в воде Куйбышевского водохранилища.

С практической точки зрения очень важно ограничивать поступление фосфора от точечных и диффузных источников загрязнения в Куйбышевское водохранилище, особенно в период летней межени, что приведет к уменьшению интенсивности и продолжительности процесса «цветения» воды и позволит улучшить экологическое состояние водного объекта, который является объектом водоснабжения, рыбного хозяйства и рекреации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Селезнева А.В. Пространственная неоднородность антропогенной нагрузки на реки // Экология и промышленность России. 2007. № 12. С. 24-27. Селезнева А.В., Беспалова К.В., Селезнев В.А. Разработка бассейновых нормативов качества воды (на примере водных объектов Нижней Волги) // Водное хозяйство России. 2013. № 2. С. 42-53.

Селезнев В.А., Селезнева А.В., Беспалова К.В. Антропогенное эвтрофирование крупных водохранилищ Нижней и Средней Волги в условиях глобального потепления климата // Материалы Междунар. научно-практ. конф. «Глобальное распространение процессов антропогенного эвтрофирования водных объек-

1.

2.

3.

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.

тов: проблемы и пути решения». Казань: Приволжский федеральный университет, 2017. С. 151-156.

4. Найденко В.В. Великая Волга на рубеже тысячелетий. От экологического кризиса к устойчивому развитию. Нижний Новгород: Промграфика, 2003. 432 с.

5. РД 52.24.309-2004. Рекомендации. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Росгидромета [Электр. ресурс]: утв. Росгидрометом 28.10. 2004. Режим доступа: http://www. consultant.ru.

6. ГОСТ 31861-2012. Вода. Общие требования к отбору проб: Из-во стандартов, 2013. 36 с.

7. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 414 с.

8. РД 52.24.382-2006. Массовая концентрация фосфатов и полифосфатов в водах. Методика выполнения измерения фотометрическим способом.

9. Алимов А.В., Бульон В.В., Гутельмахер В.Л. Применение биологических и экологических показателей для определения степени загрязнения природных вод // Водные ресурсы. 1979. № 5. С. 1-53.

10. ГОСТ 17.1.4.02-90. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла-а. М.: Изд-во стандартов, 2017. С.791-801.

11. РД 52.24.622-2001. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. Л.: Гидрометеоиздат, 2001. 64 с.

12. Зенин А.А. Гидрохимия Волги и ее водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 259 с.

13. Основные гидрологические характеристики (за 1983-1970 гг. и весь период наблюдений). Ресурсы поверхностных вод СССР. 1970, Гидрометеоиздат. Т. 12. Вып. 1. 330 с.

Сведения об авторах:

Селезнева Александра Васильевна, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук», Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; e-mail: aleks.selezneva@mail.ru Беспалова Ксения Владимировна, младший научный сотрудник, канд. хим. наук, ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук», Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», 445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14 (центральный корпус); e-mail: kvbespalova@yandex.ru

Селезнев Владимир Анатольевич, заведующий лабораторией, канд. геогр. наук, д-р техн. наук, профессор, ФГБУН «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук», Россия, 445004, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; профессор кафедры, ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», 445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14 (центральный корпус); e-mail: seleznev53@mail.ru

Водное хозяйство России № 2, 2018 г.