Концентрация фосфатов в волжской воде в условиях антропогенного эвтрофирования водохранилищ

Фосфатам принадлежит особая роль в формировании первичной продукции и функционировании водных экосистем в условиях антропогенного эвтрофирования. Недостаток фосфатов ограничивает, а их избыток, наоборот, вызывает массовое развитие водорослей, что приводит к ухудшению качества воды.

В 50-х годах прошлого века концентрация фосфатов в волжской воде колебалась в пределах 0,002-0,020 мгР/дм3, однако подметить какую-либо сезонную закономерность в этих изменениях не представлялось возможным (Зенин, 1965). По мере роста антропогенного воздействия (регулирование стока и увеличение биогенной нагрузки) концентрация фосфатов существенно увеличилась (Селезнева, 2007; Селезнева и др., 2010), а вот закономерности сезонной изменчивости изучены не достаточно. Цель исследования – дать количественную оценку сезонной изменчивости фосфатов в

Селезнева Александра Васильевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, условиях антропогенного эвтрофирования на основе данных многолетних наблюдений, полученных на р. Волга в районе Жигулевской плотины.

НАБЛЮДЕНИЯ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Наблюдения проводились на р. Волге в районе Жигулевской плотины. Выше по течению от плотины расположено Куйбышевское, а ниже – Саратовское водохранилище. Гидрохимические наблюдения проводились ежемесячно в период 2000-2016 гг. в соответствии с рекомендациями Росгидромета (РД 52.24.309-2004). Отбор проб воды для химического анализа осуществлялся батометром Молчанова ГР-18. Пробы воды фильтровались немедленно после отбора: для анализа фосфатов через мембраны «ВЛАДИПОР типа МФАС-ОС-2» с порами 0,45 мкм; для определения хлорофилла-«а» – через мембраны «ВЛАДИПОР» типа МФА-МА» с порами 0,6–0,9 мкм. Фильтрованная вода переливалась в бутылки, изготовленные из химически стойкого стекла с притертыми пробками. Перед отбором пробы бутылки дважды ополаскивались водой, подлежащей анализу, и заполнялись ею доверху (ГОСТ 31861-2012).

В волжской воде растворенный неорганический фосфор находится преимущественно в виде производных ортофосфорной кислоты H 3 PO 4 , при этом основной формой неорганического фосфора при pH выше 6,5 является HPO^2- 4 (далее «фосфаты») (Алекин, 1970). В Куйбышевском и Саратовском водохранилищах преобладают диатомовые, зеленые и сине-зеленые водоросли. Хлорофилл-«а» является репрезентативным индикатором биомассы водорослей (Алимов и др., 1979) и мерой эвтрофирования водоемов при измерении откликов водоемов на биогенную нагрузку. Измерение концентрации фосфатов выполнялось фотометрическим методом (РД 52.24.382-2006), а определение концентрации хлорофилла-«а» – методом спектро-

• I¹    = (C max - С ср ) / σ,

  В том случае, если I¹ ≥ I н или I² ≥ I н (где I н -нормативное значение (РД 52.24.622-2001), то взятое для анализа экстремальное значение концентрации вещества исключалось из рассматриваемого ряда данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам статистического анализа данных наблюдений за период 2000-2016 гг. установлено, что средние месячные концентрации фосфатов (С ср ) внутри года изменялись в 3,3 раза от 0,029 до 0,095 мгP/дм³ (табл. 1). Ле-

Таблица 1

Статистические характеристики концентрации фосфатов, мг/дм3

Месяц	с ср	σ	max	min
январь	0,074±0,009	0,015	0,113	0,037
февраль	0,074±0,009	0,010	0,095	0,058
март	0,074±0,009	0,015	0,107	0,052
апрель	0,064±0,008	0,017	0,087	0,052
май	0,047±0,006	0,025	0,122	0,010
июнь	0,029±0,005	0,011	0,052	0,011
июль	0,031±0,005	0,014	0,056	0,010
август	0,043±0,006	0,022	0,070	0,025
сентябрь	0,066±0,008	0,023	0,109	0,017
октябрь	0,089±0,011	0,025	0,146	0,042
ноябрь	0,095±0,011	0,022	0,136	0,047
декабрь	0,084±0,010	0,017	0,107	0,040

Осредненный за многолетний период сезонный ход концентрации фосфатов имел ярко выраженный волновой характер (рис. 1), «ложбина» волны приходилась на летний, а «гребень» - на осенний период. В период зимней межени концентрация фосфатов практически не менялась, в апреле концентрация начинала снижаться под воздействием диатомовых водорослей и достигала наименьших значений в июне-июле в период массового развития сине-зеленых водо- фотометрирования экстракта пигмента (ГОСТ 17.1.4.02-90) в аккредитованной лаборатории мониторинга водных объектов Института экологии Волжского бассейна РАН.

Полученные данные по концентрации фосфатов формировались в ряды, которые подвергались статистической обработке c использованием программы Statistica v 6.0 фирмы Stat Soft Lnc (США). Для каждого месяца за 17 лет наблюдений определялись: среднее (С ср ), максимальное (C max ) и минимальное (C min ) значения концентрации фосфатов и среднее квадратичное отклонение (σ). Предварительно, из сформированных рядов исключались непоказательные экстремальные значения. Для этого рассчитывались величины I¹ и I² по формулам:

• I²    = (С ср - C min ) / σ,

  том (июнь-июль) наблюдались низкие 0,029– 0,031 мгP/дм³, а осенью (октябрь-ноябрь) высокие 0,089–0,095 мгP/дм³ концентрации фосфатов в волжской воде. Максимальные средние месячные концентрации (C max ) фосфатов внутри года изменялись в 2,8 раза в пределах 0,0520,146 мгP/дм³, минимальные (C min ) – в 5,8 раз в пределах 0,010-0,058 мгP/дм³. Среднее квадратичное отклонение (σ) концентраций от средней месячной величины составило 0,010–0,025 мгP/дм³.

рослей. 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

Рис. 1. Сезонная изменчивость концентрации фосфатов

(^┬, _┴ – вертикальные планки погрешностей) массового развития водорослей на водохранилищах. Чем масштабнее и интенсивнее процесс массового развития водорослей, тем больше амплитуда сезонных колебаний концентрации фосфатов в воде. На масштаб и интенсивность развития водорослей значительное влияние

оказывают температура и расход воды на водохранилищах.

Благодаря аномальным погодным условиям, сложившимся летом 2010 г. в бассейне Средней и Нижней Волги, представилась возможность количественно оценить влияние жары и маловодья на увеличение первичной продукции (концентрации хлорофилла-«а») на водохранилище. По данным Всемирной метеорологической организации 2010 г. стал одним из самых жарких за всю историю метеонаблюдений.

Летом 2010 г. температура воздуха была существенно выше, а осадки ниже нормы, что привело к увеличению температуры воды и уменьшению расходов воды на водохранилищах Средней и Нижней Волги по сравнению со смежным 2009 г. (табл. 2). В районе Жигулевской плотины температура волжской воды в 2010 г. была выше на 1,1-3,5°С по сравнению с летом 2009 г. и достигла наибольших значений (23,5°С) в июле 2010 г. Столь высокая температура волжской воды в районе Жигулевской плотины явление крайне необычное.

Таблица 2

Температура волжской воды, °С

Год	Месяц
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
2009	0,1	0,1	0,2	1,5	8,5	17,4	21,0	20,1	18,0	7,0	4,1	0,2
2010	0,1	0,1	0,2	1,2	10,2	20,4	23,5	21,2	18,4	8,4	4,2	0,2

Таблица 3

Расходы волжской воды в створе Жигулевской ГЭС, тыс. м3/с

	Месяц
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
2009	7,4	6,9	5,5	12,2	16,3	6,7	6,0	6,3	5,6	5,5	5,1	5,8
2010	5,8	5,7	5,1	7,9	17,9	7,3	5,3	2,1	4,4	4,2	4,1	4,5

По сравнению с 2009 г. расход воды в августе 2010 г. катастрофически сократился в 3 раза с 6300 до 2100 м3/с (табл. 3). Столь маленького среднемесячного расхода воды в августе не наблюдалось даже в экстремальные маловодные годы (1973, 1975 и 1996). Например, в августе 1996 г. расход воды составил 4900 м3/с, в 1975 г. – 3900 м3/с и в 1973 г. – 3700 м3/с.

Крайне низкие расходы воды на водохранилищах Волги в августе 2010 г. были вызваны не только аномальными погодными условиями, но и регулированием водного стока в период прохождения весеннего половодья, когда расходы воды были необоснованно высокие и составля- ли: 17900 м3/с в мае и 7300 м3/с в июне. Вероятно, что подобное сезонное регулирование было вызвано недостоверным прогнозом водного стока.

В условиях повышения температуры воды и уменьшения расходов воды были созданы наиболее благоприятные условия для массового развития сине-зеленых водорослей на Куйбышевском и Саратовском водохранилищах. В результате в 2010 г. концентрация хлорофилла-«а» в воде существенно увеличилась (в 2-8 раз) по сравнению со смежным 2009 г. (рис. 2): в июне с 2,67 до 4,85 мг/м3 , в июле с 1,02 до 8,56 мг/м3, в августе с 1,68 до 6,62 мг/м3.

Рис. 2. Сезонные изменения концентрации хлорофилла-«а» (а – 2009 г.; б – 2010 г.)

В 2010 г. амплитуда сезонных изменений концентрации фосфатов существенно увеличилась и составила 0,010-0,107 мг/дм3, то есть концентрация фосфатов в период массового развития водорослей упала в 10,7 раз. Более того, в маловодном 2010 г. сезонные изменения концентрации фосфатов и хлорофилла-«а» находились в противофазе (рис. 3). После того, как концентрация фосфатов стала ниже 0,010 мг/дм3, развитие водорослей прекратилось. Следовательно, растворенные в воде фосфаты являются критическим фактором развития водорослей на водохранилищах.

Рис. 3. Сезонные изменения концентрации фосфатов и хлорофилла-«а» (а – фосфаты; б - хлорофилла-«а»)

ВЫВОДЫ лей или от концентрации хлорофилла-«а» на водохранилищах.

3. При аномальных погодных условиях в 2010 г. (жара и засуха) в бассейне Средней и Нижней Волги концентрация растворенных фосфатов в волжской воде снизилась до нуля и стала лимитирующим фактором развития водорослей в водохранилищах.