CC BY
54
УДК 556.55+556.11(571.150)
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ И КИСЛОРОДНЫЙ РЕЖИМ В ПОЙМЕННОМ ВОДОЕМЕ (БАССЕЙН ВЕРХНЕЙ ОБИ)
А.В. Котовщиков, И.А. Суторихин, Л.А. Долматова, А.В. Дьяченко
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
По результатам исследований в пойме Верхней Оби выявлены особенности вертикальной неоднородности температуры воды и содержания растворенного кислорода в одном из водоемов старичного типа. Установлено наличие весенне-летней температурной стратификации водной толщи. Межгодовые различия глубины слоя летнего температурного скачка и его градиента связаны со средней температурой воздуха в июне. В условиях высокого обилия фитопланктона в водоеме присутствует бескислородный придонный слой мощностью 1 м.
Ключевые слова: Обь, пойменное озеро, температурная и кислородная стратификация, фитопланктон.
Река Обь в верхнем течении протекает в широкой долине с хорошо развитой поймой, которая представляет собой преимущественно заболоченную равнину, расчлененную многочисленными протоками, старицами и ручьями. Большое распространение имеют пойменные озера. Наибольшее их количество находится на участке в окрестностях г. Барнаула, где ширина наиболее развитой правобережной части поймы составляет в среднем 7,5 км [1]. Многообразие и сложность системы поверхностных водных образований поймы на этом участке реки, их взаимосвязи и характер проточности заслуживают внимания специальных исследований [2].
Современное изучение гидрологического режима, биологических ресурсов и ландшафтов обской поймы сосредоточено в основном в среднем и нижнем течении реки [3-7]. В частности, в условиях «болотного» участка Средней и Нижней Оби давно известны зимние явления дефицита кислорода [8], характерные также и для полойных водоемов. Одновременно наблюдается явный недостаток работ, посвященных исследованию гидрологического и гидрохимического режимов водных экосистем поймы Верхней Оби как абиотических
условий обитания гидробионтов. Исследованный нами водоем расположен в районе 240-245 км течения Оби (от слияния рек Бия и Катунь) на правобережной части поймы, он является популярным объектом любительского рыболовства, имеет важное рекреационное и спортивное значение.
Цель работы - изучить особенности вертикальной неоднородности температуры воды и содержания растворенного кислорода в пойменном водоеме верхнего течения реки Обь в разные сезоны.
В качестве объекта исследования выбран пойменный водоем в окрестностях г. Барнаула, который представляет часть бывшей старицы Лапка реки Обь N53°22'15", E 83°50'30"). Сообщение с рекой сохраняется только в нижнем конце старицы в периоды высоких уровней Оби. Общая площадь водоема составляет около 0,4 км . Максимальная глубина колеблется от 8 м (в межень) до 11,5 м (во время половодья или паводков). Мониторинговая станция располагалась в западной части водоема в искусственно созданном более 30 лет назад гребном канале.
Исследование проводили в разные сезоны 2009, 2011-2014 гг. Профиль температуры воды измеряли посред-
ством дискретного автоматизированного измерителя [9]. Прибор представляет собой параллельное соединение 20 температурных цифровых датчиков типа DS18B20, закрепленных на кевларовом шпагате. Расстояние между датчиками равно 0,5 м. Обработка информации проходит через электронный блок прибора, выполненный в отдельном корпусе. Процесс обработки сигналов с датчиков производится центральным микропроцессором. Точность измерений в диапазоне от -10 °С до +50 °С составляет 0,5 °С. Разрешающая способность температурного преобразователя может быть изменена пользователем в пределах 9, 10, 11 или 12 битов. Это соответствует точности дискретности измерения температуры: 0,5, 0,25, 0,125 и 0,0625 °С, соответственно. Концентрацию растворенного в воде кислорода и рН измеряли с помощью многопараметрического зонда YSI 6600 (США), который оснащен температурным сенсором, имеющим точность 0,15 °С. Точность измерения кислородного оптического датчика - 0,1 мг/дм (1 %); электродов рН - 0,2 единицы.
Результаты и обсуждение
По химическому составу вода исследованного водоема близка к обской и относится к гидрокарбонатному классу, группе кальция в классификации О.А. Алекина [10]. В летний период (16 июня 2009) в поверхностном слое сумма ионов составляла 132 мг/дм3, жесткость 1,6 ммоль/дм . Реакция воды слабощелочная: среднее в столбе воды значение рН весной (7 мая 2013 г.) - 7,38±0,05, осенью (21 октября 2013 г.) - 7,64±0,03.
Вертикальный температурный профиль имеет особенности в разные сезоны года. В зимний период подо льдом наблюдается увеличение температуры воды от поверхности ко дну с максимумом 3,6-4,2 °С (рис. 1). Внутрисезонные и межгодовые различия подледного температурного режима не выражены. Признаком слоя температурного скачка
(термоклина) считали слой, в пределах которого градиент падения температуры превышает 1 °С на метр глубины [11]. Зимой в слое воды 0-1 м в результате подледного охлаждения формируется наибольший градиент температуры (до 1,5 °С/м), называемый вторичным поверхностным термоклином.
Поздней весной температурные градиенты в водном столбе становились более значительными (рис. 1). В начале мая у поверхности вода прогревалась до 9,0 °С, а у дна еще сохранялась зимняя температура (4,9 °С). Температурный скачок (2,2 °С/м) наблюдался в слое 910 м, в пределах которого и под ним отмечалось снижение рН до 6,95. В конце мая при увеличении температуры верхнего слоя до 11,2 °С слабо выраженный градиент (1,3 °С/м) отмечался на глубине 1-2 м.
Максимальный прогрев поверхностного слоя (до 26,0 °С) наблюдался в конце июля 2012 г., когда летом (особенно в июне) температура воздуха была повышена по сравнению со средне-многолетней (табл. 1). В летний период разница между поверхностной и придонной температурой была максимальная и составляла 11-12 °С (рис. 1). Наиболее выраженный термоклин с градиентом 5,2 °С/м был отмечен в 2014 г. в слое 2-3 м. В 2013 г. в условиях прохладного лета мощность этого переходного слоя была значительно больше (3-6 м), а температурный градиент - слабее (1,3-2,9 °С/м).
Осенью температура воды у поверхности в одни и те же даты, но в разные годы может существенно отличаться (от 6 до 11 °С), что обусловлено различиями погодных условий и, как следствие, разной скоростью охлаждения вод. В середине осени наблюдается го-мотермия водного столба (рис. 1), наиболее выраженная к концу октября.
Вертикальное распределение содержания растворенного в воде кислорода также было неравномерно (рис. 2).
н
и
О
о.
о
Температура, °С 1 2 3 4 5
Температура, °С
-09.02.2011 -01.04.2011 -21.01.2014
^^ 10.03.2011 —ж—04.02.2013 зима
-02.05.2012 -07.05.2013 -22.05.2014 весна
н
и
О
о.
о
10 -
Температура, °С 12 16 20 24 28
ж 16.07.2009 —□—30.07.2012 -гЛ—06.08.2013 -ю—31.07.2014 лето
Температура, °С 2 4 6 8 10
н
и
О
о.
о
1 -
4 -
6 -
10 -
12
--— IV /
|/
1 I
\
■13.10.2011 —й—12.10.2012 ■13.10.2013 —ж—21.10.2013 осень
Рис. 1. Температура воды в различные сезоны 2009, 2011-2014 гг.
Таблица 1
Средние месячные (2012-2014) и средние многолетние температуры воздуха летом, метеостанция г. Барнаула
Месяц 2012* 2013* 2014* 1961-2011**
Июнь 22,1 15,8 18,0 17,8
Июль 22,1 19,1 20,1 19,9
Август 18,3 18,0 18,2 17,0
Примечание: * - [12], ** - [13].
07.05.2013 —й—21.10.2013 ^07.05.2013 -л-21.10.2013
Рис. 2. Содержание растворенного в воде кислорода, 2013 г.
Как весной, так и осенью в придонном метровом слое наблюдается крайний дефицит кислорода - 0,3-1,1 мг/дм , что составляет 2-8 % насыщения при данной температуре. Резкое падение концентрации кислорода происходит в слое 9-10 м, выше которого показатель стабилен и составляет в среднем для
о
слоя 0-8 м в мае - 9,5 мг/дм (81,6 %), в октябре - 8,6 мг/дм3 (67,9 %).
Полученные результаты показывают, что изученный пойменный водоем в весенне-летний период находится в состоянии термической стратификации. Это явление характерно и для других пойменных водоемов умеренной зоны. Подробно изучена межсезонная динамика температурного режима поймен-
ных озер одного из притоков Верхней Волги [14]. После схода льда в озерах наблюдается гомотермия водного столба. В мае при прогревании верхних слоев начинается термическое расслоение, достигающее максимального градиента в середине лета. Охлаждение вод начинается с середины августа и заканчивается осенней гомотермией в октябре. Летний термоклин, в отличие от изученного нами водоема, расположен ближе к поверхности (1 -2 м), что объясняется высокой цветностью вод (127185 град.). На глубину термоклина также могут влиять и погодные условия в конкретный год исследования [15], как это показано и в нашем исследовании.
Основным фактором, влияющим на стабильность летней стратификации водной толщи, считается ветровое перемешивание. Среди водоемов с небольшими глубинами, каким является изученный водный объект, воздействие ветра сказывается только на относительно больших по площади акваториях. Небольшая площадь акватории, расположение ее длинной оси непараллельно направлению преобладающих юго-западных ветров [13], а также, возможно, ветровая тень от высокого левого обского берега снижают действие этого фактора в условиях исследованного водоема.
Весеннему и летнему прогреву верхних слоев воды может способствовать высокое развитие фитопланктона и низкая прозрачность. По нашим данным в эти периоды концентрация хлорофилла а в фотическом слое водоема соответствует эвтрофным водам и составляет в мае 5,9-21,0 мг/м3, в июле-августе -9,2-18,8 мг/м3 (6 августа 2013 г. - до 77,1 мг/м3). Спектральная прозрачность воды данного водоема обратно пропорционально связана с концентрацией хлорофилла а [16], что свидетельствует о высоком вкладе фитопланктона во взвешенное вещество водоема. Прозрачность воды по белому диску не превышала 1,5 м. Максимальные концентрации хлорофилла в фотическом слое соответствовали наименьшим величинам прозрачности, за исключением экстремального содержания пигмента 6 августа 2013 г. (табл. 2).
Высокое обилие фитопланктона и относительно низкая прозрачность ограничивают поступление света в нижние слои, и в результате большая часть солнечной радиации, поступающей в водоем, поглощается в верхнем слое - эпилимнионе, который поэтому быстрее и интенсивнее прогревается. Следствием высокого трофического статуса водоема является интенсивное потребление кислорода в афотическом слое воды. Этот процесс не компенси-
руется поступлением этого газа из вышележащих слоев, в результате происходит его быстрое исчерпание. Дефицит кислорода в придонных слоях воды характерен для многих озер средней полосы [17]. Особенно мощный бескислородный гиполимнион формируется в полигумозных озерах [14, 18]. В изученном нами светловодном водоеме бескислородный придонный слой имеет мощность 1 м и присутствует, по-видимому, во все сезоны. Зимой при отсутствии газообмена с атмосферой толщина этого слоя должна увеличиваться. Так в малых водоемах Амурской области в подледный период уровень насыщения воды кислородом значительно уменьшается по сравнению с летом и составляет в придонном слое (7-8 м) 1325 %, в некоторых озерах опускаясь до 5 % [19]. В мезотрофном оз. Вендюрское (Карелия) при глубине 12 м толщина придонного анаэробного слоя в апреле подо льдом не превышала 1,5 м. Характер зимнего кислородного режима этого озера стабилен в многолетнем аспекте [20]. Во многих озерах Западно-Сибирской равнины в зимний период формируются заморные условия: концентрация растворенного кислорода во всем столбе воды в период максимального нарастания льда составляет всего 0,1-1,0 мг/дм [21]. В исследованном нами водоеме, имеющем в безледный период маломощный анаэробный придонный слой, развитие за-морных явлений маловероятно.
Кислородная стратификация является условием возникновения неоднородности состава воды по другим химическим показателям. Ограничен конвективный подъем в поверхностные слои воды биогенных элементов, углекислоты и продуктов неполного окисления органических веществ, поступающих в гиполимнион в результате седиментации сестона. В результате, из донных отложений в придонную воду поступает большая доля аммонийного азота.
Таблица 2
Прозрачность воды по диску Секки и концентрация хлорофилла а в фотическом слое, 2009, 2013, 2014 гг.
Дата Прозрачность, м Концентрация хлорофилла а, мг/м
16.07.2009 0,90 5,4
07.05.2013 0,50 10,2-10,8
06.08.2013 1,50 9,2-77,1
22.05.2014 1,25 5,9-8,7
31.07.2014 0,70 18,2
14.10.2014 0,85 13,7
Повышенная концентрация аммония в придонном слое наблюдается во многих пресных водоемах умеренной зоны, достигая максимума в зимний период (до 26,6 мг/дм3) [19, 22]. Летом в результате фотосинтетической деятельности фитопланктона содержание минеральных форм азота в фотическом слое уменьшается. В поверхностном слое изученного нами водоема концентрации аммонийного, нитритного и нитратного азота в середине лета (16.07.2009) были низкими: 0,10; 0,004; 0,09 мг^дм3, соответственно. Содержание легкоокисля-емых органических веществ в стратифицированных озерах также увеличивается с глубиной. Так в озере Святое (Архангельская область) содержание растворенного органического углерода увеличивалось от поверхности ко дну от 5,8 до 16,6 мг/дм [23]. В исследованном нами водоеме показатели содержания легкодоступной органики в поверхностном слое в летний период (16.07.2009) были не велики: БПК5 - 1,28 мгО2/дм ; перманганатная окисляемость -3,45 мгО/дм3.
Заключение
Изучены особенности вертикальной неоднородности температуры воды и содержания растворенного кислорода в пойменном водоеме в разные сезоны. В подледный период (январь-апрель) наибольший температурный градиент (до 1,5 °С/м) наблюдали в подледном слое воды. Весной в начале мая термоклин располагался на глубине 9-10 м,
который по мере нагревания верхних слоев воды к концу мая поднимался до слоя 1 -2 м, но при этом градиент температуры становился значительно слабее. Летом наибольший прогрев эпилимнио-на (до 26 °С), его наименьшую мощность (2 м), а также наибольшую величину температурного градиента в слое термоклина (5,2 °С/м) наблюдали в годы с более высокой средней температурой воздуха в июне (2012 и 2014). В целом, характер температурного режима изученного водоема соответствует таковому в других пресных димиктических водоемах умеренной зоны.
Установлено наличие бескислородного придонного слоя воды, мощность которого значительно уступает анаэробному гиполимниону в других подобных водоемах средней полосы, особенно имеющих высокую цветность (полигумозных). Такой кислородный режим способствует накоплению в придонном слое продуктов аммонификации и легкодоступных органических веществ. В изученном водоеме при небольшой мощности анаэробного придонного слоя возникновение зимних за-морных явлений маловероятно. Формированию вертикальной неоднородности рассмотренных показателей способствует относительно низкая прозрачность воды и высокое обилие фитопланктона в период открытой воды, которое соответствует эвтрофным водоемам (по содержанию хлорофилла а).
Список литературы
1. Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель. Вып. 6. Равнинные районы Алтайского края и Южная часть Новосибирской области. -Л., 1962. - 978 с.
2. Лузгин Б.Н. Пойменные акватории Верхней Оби // Изв. АГУ. - 2010. - № 3-2. -С. 93-98.
3. Агафонов Л.И. Гидрологические особенности поймы Нижней Оби в 2005 г. // Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа. - 2006. - № 1(38). - С. 123126.
4. Биологические ресурсы поймы Средней Оби: динамика и прогноз / Абрамова М.Д., Адам А.М., Голубых О.С. [и др.]. - Томск, 1996. - 212 с.
5. Болотнов В.П. Использование индекса воздействия половодий для мониторинга пойменных экосистем (на примере поймы Средней Оби) // Изв. ТГПУ. - 2007. - Т. 310. - № 3. - С. 26-30.
6. Хромых В.С. Гидрологический режим половодья на пойме Оби // Бассейновые территории: проблемы и пути их решения: мат. междунар. науч.-пр. конф. - Ишим, 2013. - С. 13-16.
7. Хромых В.С. Динамика ландшафтов поймы Средней Оби // Вест. ТГУ. - 2007. -№ 300-1. - С. 223-229.
8. Жадин В.И. Жизнь в реках // Жизнь пресных вод СССР. - М-Л., 1950. - С. 113256.
9. Суторихин И.А., Бортников В.Ю., Черепанова Е.И., Дьяченко А.В. Дискретный автоматизированный измеритель профиля температуры воды // Измерение, контроль, информатизация: мат. XII междунар. науч.-техн. конф. - Барнаул, 2011. - С. 199-202.
10. Алекин О.А. Основы гидрохимии. - Л., 1953. - 296 с.
11. Хатчинсон Д. Лимнология. - М., 1969. 591 с.
12. Архив погоды ГМС Барнаул 2005-2014 гг. [Электронный ресурс]. - URL: http://rp5.ru/archive.php?wmo_id=29838&lang=ru.
13. Харламова Н.Ф. Климат и сезонная ритмика природы Барнаула. - Барнаул, 2013. - 132 с.
14. Баянов Н.Г., Кривдина Т.В. Межсезонная динамика гидролого-гидрохимических показателей реки Керженец и ее стариц // Изв. РАН. Сер. географическая. - 2013. - № 2. - С. 52-67.
15. Задереев Е.С., Толомеев А.П., Дроботов А.В., Колмакова А.А. Влияние погодных условий на пространственную и сезонную динамику растворенных и взвешенных биогенных элементов в водной толще меромиктического озера Шира // Сибирский экологический журнал. - 2014. - Т. 21. - № 4. - С. 515-530.
16. Суторихин И.А., Букатый В.И., Акулова О.Б. Сезонные изменения спектральной прозрачности и концентрации хлорофилла а в разнотипных озерах // Оптика атмосферы и океана. - 2014. - Т. 27. - № 9. - С. 801-806.
17. Широкова В.И., Чубинская К.М., Орехова К.Т. [и др.] Физико-химические условия водоемов Мордовского государственного заповедника // Тр. Мордовского государственного природного заповедника им. П.Г. Смидовича. - 2015. - № 13 (13). - С. 233299.
18. Горбунов М.Ю. Вертикальное распределение бактериохлорофиллов в гумозных озерах Волжско-Камского заповедника (республика Татарстан) // Поволжский экологический журнал. - 2011. - № 3. - С. 280-293.
19. Кашина В.А., Осипова С.В. Оценка уровня трофности малых водоемов Амурской области по гидрохимическим показателям // Проблемы региональной экологии. -2013. - № 5. - С. 43-47.
20. Тержевик А.Ю., Пальшин Н.И., Голосов С.Д. [и др.] Гидрофизические аспекты формирования кислородного режима мелководного озера, покрытого льдом // Водные ресурсы. - 2010. - Т. 37. - № 5. - С. 568-579.
21. Ядренкина Е.Н. Структурно-функциональная организация рыбного населения в заморных озерах Западной Сибири: автореф. дисс. ... д-р. биол. наук. - Томск, 2011. -41 с.
22. Горбунов М.Ю. Вертикальная стратификация водных масс в малых озерах лесостепного Поволжья // Изв. Самарского Нц РАН. - 2007. - Т. 9. - № 4. - С. 973-986.
23. Широкова Л.С., Воробьева Т.Я., Забелина С.А. и др. Характеристика продукци-онно-деструкционных процессов малых озер Архангельской области // Современные проблемы науки и образования. - 2008. - № 5. - С. 11-17.
TEMPERATURE AND OXYGEN REGIME IN A FLOODPLAIN RESERVOIR (THE UPPER-OB BASIN) A.V. Kotovshchikov, I.A. Sutorikhin, L.A. Dolmatova, A.V. Dyachenko
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
The peculiarities of vertical heterogeneity of water temperature and dissolved oxygen in one of the oxbow lakes were defined based on the results of studies in the Upper Ob flood-plain. The presence of the spring-summer temperature stratification in the water column was revealed. Interannual differences in the layer depth of maximum gradient (thermocline) were related to an average temperature in June. An anoxic bottom layer of 1 m thick was observed both in late spring termostratification and autumn homothermy at high abundance of phyto-plankton.
Key words: Ob River, floodplain lake, temperature and oxygen stratification, phytoplank-
ton.
