Динамика цветения воды на приплотинном участке Куйбышевского водохранилища

Одной из наиболее актуальных проблем неблагополучного экологического состояния водохранилищ является массовое «цветение» воды, вызванное интенсивным развитием синезеленых водорослей в теплое время года. В условиях зарегулирования стока рек, особенно в южной части страны, масштабы первичной биологической продуктивности значительно выросли [116]. В большей степени явления массового развития синезеленых водорослей проявляются на приплотинных участках гидроузлов и обширных заливах, которые сопровождаются накоплением в воде органических и токсичных веществ, ухудшением кислородного режима, замором рыб при отмирании водорослей и снижением рекреационного потенциала водоемов.

Из множества причин, определяющих «цветение» воды в водохранилищах, можно вы делить ряд основных абиотических факторов Рахуба Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией мониторинга водных объектов.

– климатические, химические и гидродинамические [3, 4, 7, 9, 17]. Первые связаны с освещенностью водоемов и прогревом водной толщи, вторые – с поступлением в водоемы биогенов и последние – с режимом регулирования стока на гидроузлах. Отсюда, снижение фосфорной нагрузки и увеличение проточности в водохранилищах рассматриваются как эффективные способы возможного регулирующего воздействия, направленные на ослабление вегетации синезеленых водорослей [3, 4, 17, 18].

Изучение фитопланктона Куйбышевского водохранилища проводится с первых лет его существования [1, 2, 15, 16, 20, 22]. Исследователи отмечают, что в период летнего прогрева воды в озеровидных плесах и крупных заливах водохранилища доля синезеленых водорослей в общем таксономическом составе фитопланктона может достигать 90% и выше [17, 19, 21, 22]. Избыточное их количество вызывает «гиперцветение» воды в этих районах водохранилища и становится настоящим бедствием для экосистемы.

Цель данной работы – оценка сезонной динамики вертикального распределения фитопланктона (по хлорофиллу а) и анализ из- менчивости основных физико-химических показателей в водной толще в периоды «цветения» воды на Куйбышевском водохранилище.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Куйбышевское водохранилище образовано перекрытием р. Волги плотиной Жигулевского гидроузла в 6 км ниже г. Тольятти и является самым крупным в Волжском каскаде. Оно принимает воды двух крупных рек – Волги и Камы, осуществляет сезонное регулирование речного стока и относится к мезотрофно-эвтрофным водоемам долинного типа. После сооружения Чебоксарского и Нижнекамского гидроузлов площадь водного зеркала водохранилища составила 5900 км2, а его общая емкость при нормальном подпорном уровне (НПУ) – 58,0 км3. Общая длина по затопленному руслу р. Волга составляет 510 км, наибольшая ширина – 27 км. Средняя глубина водохранилища при НПУ – 9 м.

На всем протяжении Куйбышевского водохранилища образован ряд озеровидных плесовых расширений и резких сужений. Для исследования был выбран участок приплотинного плеса, который является самым глубоководным районом водохранилища со значительным объемом воды (рис. 1). Наблюдения проводились на рейдовой вертикали с координатами 49° 20,021´ с.ш. и 53° 27,725´ в.д. в период с 22 мая по 16 августа на шести водных горизонтах (поверхность, 0,5 м, 4 м, 12 м, 16 м и 21 м) с недельной периодичностью отбора проб воды. Пробы воды с каждого горизонта отбирали батометром Молчанова ГР-18 для определения следующих показателей: хлорофилла а (Chla), температуры воды (Твод), перманганатной окисляемости (ПО), фосфатов (Рмин) и содержания растворенного в воде кислорода (О2). Измерения скоростей течения на вертикали выполняли гидрометрической вертушкой ГР-21м.

Содержание Chl a определяли стандартным спектрофотометрическим методом [23]. Определение содержания ПО, Р_мин, и О₂ производилось согласно методикам, изложенным в Руководстве по химическому анализу [24]. Температура воздуха, скорость ветра и облачность на период наблюдений анализировались по данным, взятым из архива погоды по ближайшей метеостанции п. Курумоч [25].

Рис. 1. Расположение рейдовой вертикали наблюдений в Куйбышевском водохранилище

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение цветения фитопланктона Куйбышевского водохранилища представляет значительный интерес, поскольку связано с ухудшением качества воды и негативными изменениями в экосистеме водоема, которые проявляются в результате потепления климата и влияния антропогенного эвтрофирования. Главным образом динамика развития фитопланктона определяется сезонным ходом прогрева водной толщи, изменением содержания в воде биогенных элементов (преимущественно минерального фосфора), режимом стокового и ветрового течений. При повышении температуры воды, высоком содержании фосфатов и слабом течении складываются благоприятные условия для многочисленных вспышек массового развития синезеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды.

В весенне-летний период 2012 г. в акватории Куйбышевского водохранилища наблюдалась жаркая погода с многочисленными пиками температуры воздуха (31,8-35,9 С°), которые вызвали четыре всплеска развития фитопланктона (рис. 2а). Каждая такая вспышка сопровождалась ясной погодой и слабым ветром (1-3 м/с) со штилевыми периодами при среднем за многолетний период значении расхода воды в водохранилище. Средняя дневная температура воздуха (Т возд ) за период наблюдений составила 23,3 С°, минимальная – 18,4 С°. Температура воды в фотическом слое изменялась от 14, 5 С° до 25,6 С°, максимальная наблюдалась в июле и августе (25,6 С°) (рис. 2 г.). Прозрачность воды по диску Секки изменялась в пределах 0,7-3,0 м. Измеренная скорость течения на рейдовой вертикали наблюдений изменялась в пределах 0,06-0,3 м/с на поверхности и 0,007-0,06 м/с – на дне, значение скорости вертикального перемешивания изменялась в пределах 0,001-0,02 м/c.

Первый всплеск развития фитопланктона был образован в последнюю декаду мая в основном диатомовыми водорослями и продолжался две недели. Верхний слой воды прогрелся до 19,5 °С, придонный слой – до 10,7 °С (рис. 2г). В поверхностном слое воды (0-2 м) максимальное значение Chla составило 58,7 мкг/л, на середине глубины (12-16 м) – 6,38 мкг/л и в придонном слое (20-21 м) – 4,36 мкг/л (рис. 2в). Среднее значение Chla по глубине составило 17,8 мкг/л. Прозрачность воды снизилась с 2,5 м до 1,10 м. Содержание Рмин в результате весеннего всплеска развития фитопланктона в поверхностном слое воды снизилось с 30 мкг/л до 5 мкг/л, в среднем слое воды – до 15-20 мкг/л и на дне составило 30 мкг/л (рис. 2е). В этот период водослив гидроузла Жигулевской плотины был открыт для пропуска воды весеннего половодья, в результате чего горизонтальная скорость течения на вертикали наблюдений достигала 0,3 м/с в поверхностных горизонтах и 0,008 м/с – в средних слоях. В придонном горизонте скорость течения снижалась до предела чувствительности гидрометрической вертушки. Таким образом, можно видеть, что весенний пик развития фитопланктона характеризовался максимумом в поверхностном горизонте и неоднородным распределением фитопланктона на вертикали, чему способствовали теплая погода и повышенная проточность в водохранилище.

Второй всплеск развития фитопланктона длился около недели и пришелся на первую половину июня. Он был сформирован преимущественно ростом диатомовых и появляющихся синезеленых водорослей. Максимальная дневная температура воздуха поднималась до 33,6 °С, температура воды на поверхности и на дне прогрелась до 20,5 °С и 16,7 °С (рис. 2 а, г). Пиковая величина Chl a составила 32,2 мкг/л в поверхностном горизонте, 2,86 мкг/л – в среднем, 2,39 мкг/л – в придонном (рис. 2в). Среднее значение Chl a на вертикали составило 8,98 мкг/л. Прозрачность воды составила 1,50 м. Содержание Р_мин возрастала с глубиной от 9 мкг/л на поверхности и до 36 мкг/л на дне (рис. 2е). Вспышка цветения пришлась на конец половодья, когда водослив гидроузла был закрыт, а пропуск воды осуществлялся через ГЭС. Скорость течения в поверхностных горизонтах составила 0,07 м/с и 0,003 м/с в средних слоях. В этот период количество биомассы фитопланктона по Chl a было в два раза ниже, чем в первый весенний пик цветения.

К середине июля температура воздуха поднималась до 34,1 °С, а вода на поверхности прогрелась до 25,6 °С и на дне – до 20,0 °С, что спровоцировало продолжительный 20-дневный рост синезеленых водорослей. Значение Chl a на третьем пике «цветения» составило 56,8 мкг/л в поверхностном горизонте, 4,57 мкг/л – в среднем, 2,82 мкг/л – в придонном (рис. 2в). Среднее значение Chl a на вертикали составило 19,8 мкг/л. Прозрачность воды снизилась до 0,7 м. Содержание Р_мин изменялось с глубиной от 0-1 мкг/л на поверхности и до 50 мкг/л на дне (рис. 2е). Скорость течения изменялась в пределах 0,04-0,06 м/с в поверхностных слоях и 0,0010,003 м/с – в средних слоях. В условиях хорошего прогрева водной толщи и замедленного течения эта вспышка роста фитопланктона характеризовалась наиболее продолжительным и массовым цветением синезеленых водорослей.

Последний пик летнего цветения фитопланктона пришелся на начало августа. Стояла жаркая погода, а дневная температура воздуха поднималась до 35,9 °С. Водная толща максимально прогрелась на поверхности до 25,2 °С и на дне

Рис. 2. Сезонный ход температуры воздуха (а), удельной скорости роста фитопланктона (б) и вертикальное распределение Chl a (в), Т вод (г), ПО (д), Р_мин (е), О₂ (ж) на рейдовой вертикали в Куйбышевском водохранилище за период наблюдений 2012 г.

– до 21,9 °С. Средняя концентрация Chl a на вертикали составила 17,9 мкг/л, в поверхностном горизонте – 43,7 мкг/л, в среднем – 3,84 мкг/л и в придонном – 3,5 мкг/л (рис. 2в). Прозрачность воды не превышала одного метра. Содержание Р_мин изменялось в толще воды от 0-1 мкг/л на поверхности и до 54 мкг/л на дне (рис. 2е). Скорость течения изменялась в пределах 0,04-0,17 м/с в поверхностных слоях и 0,001-0,007 м/с – в средних слоях. Всплеск развития фитопланктона в конце лета длился одну неделю и характеризовался массовым развитием синезеленых водорослей.

Данные наблюдений показывают, что уменьшение концентрации Chl a между вспышками сопровождаются понижением температуры воздуха и, как следствие, понижением температуры верхнего слоя воды, при усилении активности ветра в сочетании с сильными порывами (до 13-18 м/с), достаточными для хорошего вертикального перемешивания по всей глубине. Такие моменты отмечены на рисунке 2б резким снижением суточной удельной скорости роста фитопланктона (μ). Расчет μ проводили по суточным значениям Chl a с использованием следующей формулы:

μ=ln(Chl a _t+1/ Chl a _t)+ φ , где t – номер суток, φ – суточная удельная скорость убыли биомассы фитопланктона в результате отмирания, выедания зоопланктоном, метаболизма, действия динамики течения и других факторов ( φ ≈0,3 сут ^-1).

Помимо температурных колебаний механизм многопиковой динамики «цветения» воды регулируется вертикальным распределением Рмин. В активную фазу цветения водорослей концентрация Рмин в верхнем фотическом слое снижается до минимума, начиная сдерживать взрывной рост водорослей с последующим резким падением μ в период спада цветения (рис. 2б и рис. 2в). Поскольку запасы Рмин в нижних слоях водной толщи намного выше, чем в фоти-ческом (рис. 2е), то в результате вертикального перемешивания концентрация Рмин в верхних слоях восстанавливается до средних значений и при благоприятных условиях начинается очередной рост фитопланктона.

Наблюдения показывают, что наибольшая прозрачность воды между вспышками летнего «цветения» в Куйбышевском водохранилище составляет 2,5-3,0 м. В периоды всплесков цветения синезеленые водоросли в большом количестве скапливаются на поверхности, снижая прозрачность воды до 0,7-1,0 м. В результате оптические условия для развития других таксономических групп фитопланктона ухудшаются, а доля синезеленых водорослей в составе фитопланктона значительно увеличивается.

В периоды вспышек «цветения» воды наблюдается неоднородное распределение растворенного кислорода (О2) по глубине. В поверхностных горизонтах содержание О2 достигает 16,2 мг/л, а в придонных слоях – 5,4 мг/л, что негативно сказывается на жизнедеятельности гидробионтов дна. В межпиковый период вертикальная неоднородность О2 выражена довольно слабо и составляет 6,0-7,0 мг/л (рис. 2ж).

Важным негативным обстоятельством массового развития синезеленых водорослей является избыточное накопление лабильного органического вещества в течение всего вегетационного периода. В 2012 году каждая фаза роста фитопланктона сопровождалась повышением содержания органического вещества по показателю перманганатной окисляемости до 11,2-12,8 мгО2/л (рис. 2д). В среднем содержание в воде лабильных органических веществ за летний сезон выросло в 1,5 раза. В результате, можно видеть, что первичная продукция вносит большой вклад в фонд органического вещества и формирования качества воды Куйбышевского водохранилища.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе данных наблюдений, проведенных в приплотинной части Куйбышевского водохранилища выполнен анализ природы формирования вертикального распределения и сезонной динамики развития фитопланктона (по содержанию хлорофилла а ), а также вертикального распределения контрольных физико-химических показателей воды. За весенне-летний период 2012 г. отмечено четыре крупных всплеска «цветения» воды, вызванные повышением температуры воздуха до 33-35 °С и слабым ветром, переходящим в штиль. Установлено, что при высоком прогреве водной толщи водохранилища (25 °С и выше) концентрация хлорофилла а многократно возрастает в верхнем фотическом слое (0-10 м), достигая 30-58 мкг/л, и несущественно изменяется в средних и придонных слоях в пределах 1,5-5 мкг/л. Увеличение биомассы синезеленых водорослей в верхних слоях снижает концентрацию фосфатов до минимума (1-9 мкг/л), вызывая его дефицит и приводит к последующему спаду «цветения» воды. Концентрация фосфатов в нижних слоях водной толщи остается стабильно высокой и даже увеличивается в течение лета за счет поступления из донных отложений с 33 до 64 мкг/л. В периоды между вспышками в результате ветрового перемешивания и турбулентного обмена в толще воды концентрация фосфатов выравнивается по глубине и при очередном повышении температуры создаются благоприятные условия для формирования следующего пика «цветения» воды.

Отмечено, что в период максимального развития синезеленых водорослей содержание лабильного органического вещества в воде увеличивается в 1,5 раза. Содержание растворенного в воде кислорода в поверхностном слое достигает 16,4 мг/л, в то время как в придонных слоях снижается ниже уровня ПДК (5,4 мг/л). В результате, вода по органическим показателям не соответствует нормативным требованиям, а низкое содержание растворенного кислорода в придонных слоях оказывает негативное влияние на жизнь гидробионтов.