Современная оценка состояния озера Селигер крупнейшего озера Верхневолжской водной системы

Тверской государственный технический университет

Рассматривается взаимосвязь гидрохимических и гидробиологических характеристик на примере озера Селигер. Исследуется динамика уровня трофии плесов озера Селигер по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Установлена статистическая связь между характеристиками водного объекта.

Одним из проявлений антропогенного воздействия на окружающую среду является прогрессирующее евтрофирование водоемов. Евтрофирование озер стало актуальной проблемой второй половины XX века. Повсеместное ухудшение качества воды и условий водопользования в связи с массовым развитием планктонных водорослей и высшей водной растительности придает проблеме глобальные размеры.

При евтрофировании водного объекта происходит: а) накопление в водной толще биогенных веществ, главным образом минеральных форм азота и фосфора; б) бактериальный распад органического вещества, который в иловых отложениях подвергается анаэробному распаду, что приводит к образованию газообразных продуктов в виде метана, водорода, сероводорода, аммиака. Накопление таких восстановительных соединений снижает окислительно-восстановительный потенциал, как донных отложений, так и водной толщи за счет использования кислорода при биохимическом окислении. Освобождающаяся в этих условиях фосфорная кислота и образующиеся аммиачные соли способствуют развитию фитопланктона [ 1-5 ].

Следовательно, оценка трофического состояния водных объектов требует проведения комплексных гидрохимических и гидробиологических исследований [6-20] .

В качестве объекта исследования выбрано озеро Селигер - часть Верхневолжской водной системы, ресурсы которого используются для питьевого и промышленного во доснабжения, судоходства и в рыбном хозяйстве. Активная хозяйственная деятельность в бассейне водоема вызвала изменения некоторых характеристик водоема [6-13]. Основными источниками загрязнения озера Селигер являются туристические базы, а также промышленные предприятия г. Осташкова -кожевенный завод, молочный, рыбный комбинаты и др. [7, 8].

Результаты более ранних исследований проводившихся в 20-е [17] , 60-е [9, 10] и 90-е годы [6] свидетельствуют об обеднении флоры, возрастании численности зеленых и сине-зеленых водорослей в составе фитопланктона, измельчении клеток планктона. Анализ гидрохимических характеристик показал существенные изменения в экологической системе озера. Так, например, загрязнение акватории озера промышленными и бытовыми стоками привело к изменению гидрохимического режима, а, следовательно, и гидробиологического.

Нарушение гидрохимического режима выражается в увеличении содержания Cl^-, SO₂^2-, Ее_общ, органических соединений. Повышение концентрации форм азота и фосфора, появление восстановительных соединений таких как: H 2 S, NH 3 и др., сокращение содержания растворенного кислорода в водах озера повлекло за собой рост процессов евтро-фирования водоема.

Озеро Селигер представляет собой сильно расчлененную систему плесов, каждый из которых имеет свои гидрофизические, гидробиологические и гидрохимические особенно- сти развития и испытывает различную антропогенную и техногенную нагрузку. Это обусловило неравномерность развития процессов загрязнения и евтрофирования водного объекта в различных плесах. Наиболее подверженными этому процессу оказались такие плесы как Слободской, Осташковский, Серемо, Весецкий и Величко [7, 8].

Результаты и обсуждение

В 1997-2001 гг. в рамках ФЦП "Государственная поддержка интеграции высшего образованияи фундаментальной науки" по проекту "Мониторинг экосистемы Селигер" авторами были выполнены экспедиционные исследования по комплексному обследованию озера Селигер. Был проведен гидрохимический анализ более 380 проб воды, отобранных на поверхности по следующим показателям: водородный показатель рН, температура, цветность, прозрачность, БПК 5 , перманганатная окисляемость, содержание азота аммонийного, нитратов, нитритов, железа, фосфатов. Кроме того, были проанализированы данные исследований Осташковской санэпидемстанции, которые проводились с 1990 года в "замыкающем створе" Нижние Рудины.

Из всей совокупности данных нами были выбраны только те показатели, которые характеризуют, согласно методикам [2-5, 11, 12, 13, 14], изменения трофического состояния экосистемы, а именно, соединения азота (нитриты, нитраты, ионы аммония), которые выражены через сумму минеральных форм азота N M , содержание растворенного кислорода и показатель среды рН (табл.1).

Многолетние сезонные наблюдения за качеством воды в озере Селигер Осташковского центра госсанэпидемнадзора содержат наиболее полную информацию по "замыкающему створу" Нижние Рудины, который находится на границе Осташковского и Се-лижаровского плесов. Оценивая качество воды данного створа, можно судить о экосостоянии водоема в целом, т.к. через пункт мониторинга Нижние Рудины происходит сток воды со всех севернее расположенных плесов, и только потом вода поступает в самый южный плес - Селижаровский и далее на-

Таблица 1. Показатели трофического состояния озера Селигер

Показатель NM Плес 1997 1998 1999 2000 2001 Полновский – 0,28 1,03 2,00 2,21 Сосницкий 0,20 0,10 1,30 1,88 1,87 Кравотынский 0,78 0,56 1,18 2,38 1,44 Березовский 1,52 0,24 1,19 2,06 1,10 Слободской 0,39 0,64 1,77 2,49 2,10 Осташковский 0,70 0,51 1,04 2,82 0,90 Селижаровский 0,34 0,24 1,05 2,97 1,07 Показатель O2, % Плес 1997 1998 1999 2000 2001 Полновский – 86,9 93,4 82,3 79,6 Сосницкий 85,8 72,6 83,8 73,7 71,6 Кравотынский 113,0 86,3 83,7 69,3 78,2 Березовский 90,4 74,9 77,2 75,2 88,3 Слободской 85,7 78,0 76,5 70,2 84,6 Осташковский 82,5 82,4 92,7 74,6 90,2 Селижаровский 90,0 74,5 100,5 71,5 91,6 Показатель pH100% Плес 1997 1998 1999 2000 2001 Полновский – 7,77 7,66 7,45 7,67 Сосницкий 8,23 7,84 7,58 7,76 7,83 Кравотынский 7,83 7,88 8,11 7,94 7,56 Березовский 8,19 7,66 8,02 7,83 7,82 Слободской 7,88 7,95 8,56 7,35 8,20 Осташковский 8,29 7,95 7,98 8,02 8,23 Селижаровский 8,10 7,88 7,19 7,95 8,01 правляются в р. Волгу.

На основе многолетних измерений показателя рН, значения которого находились в пределе 6,8 - 8,3, что характерно для водоемов данной географической зоны [3] и содержания растворенного кислорода, изменяющегося от 6,28 до 8,2 мг/л, авторами был рассчитан показатель рН₁₀₀ % ( рН, приведённый к нормальному 100% - ому насыщению воды кислородом) по методике предложенной Л.И. Цветковой [5]:

n

Е pH

pH — i=1        + р 100%     --------- n где рН. - измеренные значения рН за время t; [O2]i - концентрации О2 (в %), измеренные синхронно с рН за то же время t; 0,013 - эмпирический коэффициент зависимости рН от концентрации O2; n - число измерений за время t.

PH ioo%    9

8,5 -

8 -

7,5 -

7 -

6,5 -I------------------------------------------,------------------------------------------,------------------------------------------,------------------------------------------,------------------------------------------,------------------------------------------,------------------------------------------,

40          50          60          70          80          90          100         110

0 2 ,%

Рис. 1. Зависимость рН_100% от содержания кислорода,О₂ в % насыщения, в замыкающем створе озера Селигер в летний период 1990-2001 г.г.

Учитывая тот факт, что значение рН₁₀₀ % зависит от процессов насыщения воды кислородом [5], при использовании методов математической статистики [16], нами была выявлена связь между этими показателями:

рН₁₀₀ % = 8,88 - 0,013 О₂, %.

Однако в результате статистического анализа было установлено, что коэффициент парной корреляции составляет 0,52, что говорит о существовании достаточно слабой связи между показателями.

Анализируя зависимость рН₁₀₀ % от содержания растворенного кислорода в водах пункта мониторинга Нижние Рудины, которая показана на рис.1, можно установить, что при увеличении содержания растворенного кислорода, в % насыщения, показатель рН₁₀₀ % уменьшается, свидетельствуя об изменении трофического состояния. Это доказывает возможность применения показателя рН₁₀₀ % для оценки уровня трофии водного объекта.

Исследование многолетней динамики показателя рН₁₀₀ % для замыкающего створа озера Селигер (рис.2) показало, что до 1993 г. состояние воды в створе характеризовалось как евтрофное, а после 1997 г. перешло в ме-зотрофное и олиготрофное. Это объясняется, по-видимому, введением в 1992 г. новой технологии очистки сточных вод с применением биологического метода на Кожевенном заводе - основном загрязнителе водоема (о чем свидетельствует снижение концентраций загрязняющих веществ в сбросовых водах завода (рис. 3), в результате значительного экономического спада производства в начале 90х годов). Резкий переход к евтрофному состоянию после 1999 г. обусловлен как подъемом промышленности в конце 90-х г.г. XX столетия, так и резким увеличением антропогенной нагрузки (застройка прибрежных зон, туризм и др.).

По результатам исследований была проведена сравнительно-временная оценка тро-

Год отбора пробы

Рис. 2. Динамика изменения рН_100% в замыкающем створе озера Селигер

^^™ Показатели сброса сточных вод       • БПК       ■ Азот амонийный        A NO3       ♦ NO2

Рис. 3. Изменение качества сточных вод Кожевенного завода во времени

фического состояния плесов озера Селигер по показателям NM и рН100%. Изменение содержания минеральных форм азота (табл.1) прослеживает четкую тенденцию их увеличения во всех плесах озера Селигер, что является объяснением роста евтрофикации [2, 4, 5]. Оценивая трофический статус по показателю рН100% (рис.4), можно отметить, что наиболее интенсивно процесс евтрофирования протекает в Кравотынском (из-за увеличения антропогенной нагрузки и распространения евтрофных процессов с озера Серемо через залив Владышино), Слободском и Осташковском плесах (в результате сброса сточных вод pHioo% с очистных сооружений г. Осташкова и промышленных объектов).

Как известно из работ [ 2, 4, 9, 11, 15 ] чувствительными показателями трофического состояния водоема также служат прозрачность и температура воды.

Результаты наших исследований показали, что высокой трофностью обладают плесы Серемо, Весецкий и Величко ( рис.5). Что подтверждается интенсивным ростом на этих плесах высшей водной растительности, небольшой глубиной воды 0,5 - 2,0 м и мощным слоем донных отложений (5 - 9 м) в виде сапропеля.

Евтрофное состояние

9 1

8,5 -

1          2          3          4          5          6          7

Плесы

□ 1997 П1998 П1999 П2000 12001

Рис. 4. Динамика изменения рН _100% в плесах озера Селигер за 1997 - 2001 г.г.: 1- Полновский; 2- Сосницкий;

3- Кравотынский; 4- Березовский; 5- Слободской; 6- Осташковский; 7- Селижаровский

3 т

т 28

2,5 -

о

2 -

га

1,5 -

о

0,5 -

■ ^\—/^-22

га"

га

<в

<в

Плесы

।    ।Прозрачность ^^^™Температура |

Рис. 5. Прозрачность и температура воды отдельных плесов озера Селигер (измерения июля 2001 года).

1 - Серемо; 2 - Весецкий; 3 - Величко; 4 - Слободской плес; 5 - Селижаровский плес; 6 - Березовский плес;

7 - Сосницкий плес; 8 - Осташковский плес; 9 - Кравотынский плес; 10 - Полновский плес

Наряду с гидрохимическим обследованием озера Селигер сотрудниками Института озероведения РАН проводилось и гидробиологическое изучение данной экосистемы, что во многом заполнило пробелы в знаниях о современном состоянии водного объекта и подтвердило наши выводы об уровне трофии отдельных плесов [19] .

Несмотря на то, что Селигер является одним из крупных озер Европейской части России, оно остается недостаточно изученным в альгологическом отношении, т.к. сведения о фитопланктоне являлись результатом разовых наблюдений выполненных не на всей акватории водоема, и касались, в основном, массовых видов [6, 7, 9, 10, 17]. Наиболее подробный список водорослей оз. Селигер имеется в работе А.С. Сатиной [6], датированной началом века. Но, к сожалению, из 139 приведенных видов только 67 обнаружено в оз. Селигер. Также немногочисленны сведения и о биомассе фитопланктона [7].

Гидробиологические исследования озера Селигер проводились в летние периоды, соответственно в июле и августе 1998, 1999 и 2000 годов. Из всей совокупности данных авторами были отобраны результаты анализов, касающиеся фитопланктона, так как именно планктонные водоросли играют основную роль в процессе образования органического вещества в водоеме [4, 5, 15].

Всего в летнем планктоне оз.Селигер обнаружено 154 вида водорослей, относящихся к 9 отделам. По таксономическим отделам они распределялись следующим обра зом: Cyanophyta -18 (11,7%), Euglenophyta -12 (7,8%), Dinophyta - 6 (3,9%), Cryptophyta - 3 (2,0%), Raphidophyta-1 (0,7%), Chrysophyta -16 (10,5%), Bacillariophyta - 44 (28,8%), Chlorophyta - 52 (34,0%), Xanthophyta -1 (0,7%) [7,19].

Исследователями [19] выявлено, что в целом, несмотря на разнообразие экологических условий озера Селигер, фитопланктон различных участков этого водоёма довольно однороден. Наиболее близки по видовому составу Полновский и Осташковский плёсы.

Биомасса водорослей летнего планктона колебалась в широких пределах и значительно отличалась по составу доминирующих групп (табл.2). Минимальная биомасса (2,08 мг/л) была в Сосницком плесе в 1999 г. Максимальная биомасса (48,78 мг/л) была отмечена в 1998 г. на станции "турбаза Селигер". Анализ биомассы фитопланктона также показал, что в разные годы на одной станции часто преобладали разные группы водорослей. Такая смена доминирующего комплекса объясняется как отличными климатическими и экологическими условиями в разные годы, так и проявлением сезонной сукцессии видов вследствие различных сроков отбора проб.

Видовое разнообразие, учитываемое по индексу Шеннона [14], в 1998 - 2000 г.г. было ниже в Осташковском и Слободском плесах по сравнению с другими за счет повышенного загрязнения вод этих районов [8], что также привело к изменению численности и биомассы доминирующих видов гидробионтов.

Таблица 2. Биомасса фитопланктона озера Селигер

Станция	Биомасса , мг/л			Индекс биоразнообразия (по биомассе)
	1998	1999	2000	1998	1999	2000
Полновский плес	6,50	8,26	2,9	1,85	0,97	1,79
Сосницкий плес	5,33	2,08	24,88	1,77	2,15	0,83
Кравотынь	22,25	2,52	9,4	0,54	2,07	1,29
Рогожа	11,32	20,82	10,79	1,18	0,95	1,65
Осташков	8,79	39,26	47,58	0,51	0,50	1,45
Городомля	28,55	47,66	19,03	0,41	0,85	1,31
Никола-Рожок	7,00	19,33	24,76	1,11	0,58	1,27
Емши	39,50	11,36	4,33	0,42	1,93	1,59
Т/б Селигер	48,78	10,80	10,49	0,42	1,11	1,69

Снижение индекса биоразнообразия (рис.б) Осташковского и Слободского плесов по сравнению с 1964 г. по данным [ 10 ] также указывает на ухудшение экологического состояния озера Селигер за последние 30 лет.

Учитывая видовое разнообразие, рассчитанное по Шеннону, и такие гидрохимические показатели уровня трофии, как нитраты, ионы аммония, сумма минеральных форм азота, фосфаты и показатель рН₁₀₀ % с использованием методов математической статистики, авторами статьи были рассчитаны уравнения парной корреляции, устанавливающие статистические связи между данными характеристиками водного объекта (табл.3). Для обработки использовались данные, имеющие одинаковый кислородный режим, т.е. процент насыщения воды кислородом составлял 85-95 %.

В результате регрессионного анализа была установлена зависимость индекса биоразнообразия ( d ) от показателя рН₁₀₀ % (рис.8), анализ которой выявил, что с ростом трофи-

Рис. 6. Изменение индекса биоразноообразия в плесах озера Селигер за 1964 и 1998 г.г: 1 -Слободской: 2 - Осташковский ческого уровня (увеличением рН100%) видовое разнообразие снижается.

Выводы и заключение

Результаты исследований по оценке экологического состояния озера Селигер позволили сделать следующие выводы:

Процесс евтрофирования озера Селигер протекает неравномерно в различных плесах, наиболее интенсивно он выражен в плесах: Серемо, Весецком, Величко, Слободском и Осташковском.

Изменение гидрохимических и, особенно, гидробиологических показателей (развитие водорослей летнего планктона) показало, что экологическое состояние водного объекта изменилось, перейдя из олиготрофного в стабильное мезотрофное с чертами евтрофирования лишь на некоторых участках.

Установлены статистические зависимости между индексом Шеннона и основными показателями трофического состояния рассматриваемого водного объекта, позволяющие осуществить предварительный прогноз состояния отдельных плесов озера Селигер.