Драбкова В.Г., Прыткова М.Я., Якушко О.Ф. Восстановление экосистем малых озёр

Подождите немного. Документ загружается.

Средняя

глубина, м

Рис. 17. Связь между годовым поступлением общего фосфора и средней глуби-

ной озер (по: Vollenweider, 1975).

где L - фосфорная нагрузка, г/м

в год; R

- коэффициент удержания

фосфора (в долях единицы); z - средняя глубина озера, м; Г{, - коэф-

фициент водообмена, год"

Коэффициент удержания фосфора (фосфорудерживающая способ-

ность) является важной характеристикой водоема как отстойника.

Его значение, как было установлено исследованиями, зависит от вре-

мени водообмена и концентрации фосфора в озерной воде (Twinch,

Grobler, 1986). По данным Института озероведения, для озер Латгаль-

ской возвышенности (Латвия) отмечается влияние на значение R

размещения устья притока и истока вытекающего ручья (Калинина,

Прыткова, 1988). Для озер, проточных по всей длине (верхняя линия

связи на рис. 18,a), R

значительно больше, чем для озер, где приток

и исток расположены рядом (нижняя линия связи), и, следовательно,

сточными течениями охвачена небольшая часть озера. Из этого же

рисунка видно, что связь R

f(c/w) для озер Карельского перешейка

(Стравинская, Ульянова, 1984) будет отличаться от таковой для озер

Латвии и, кроме того, сильно заросшие озера (Большое Раковое) отли-

чаются большей удерживающей способностью, чем незаросшие. Эти

же исследования показали, что на величину R

влияет не столько

содержание фосфора в озерной воде, сколько его содержание в при-

токах (рис. 18,6). Последнее в значительной степени определяет из-

менение R

для озер Карельского перешейка, а также для озер Лат-

вии, проточных по всей длине.

Природные экосистемы отмечаются, как правило, функциональ-

ной и структурной устойчивостью, которая возможна лишь в услови-

ях медленно воздействующих на систему естественных факторов

(Никифоров и др., 1988). При любом антропогенном воздействии в

первую очередь происходит нарушение естественного равновесия

6 Восстановление экосистем

Рис. 18. Связь между фосфорудерживающей способностью озер и условным во-

дообменом (а), средней концентрацией общего фосфора в основных прито-

ках (б).

Озера Латгальской возвышенности: 1

—

проточные по всей длине (Илзес, Ла-

пийтис, Лаборжское, Удринка), 2

—

стоковые течения, захватывающие неболь-

шую часть озера (Рудушское, Грижанское). Озера Карельского перешейка: 3

—

заросшее оз. Большое Раковое, 4

—

озера Борисовское, Красное, Нахимовское,

Малое Луговое.

биотической и абиотической составляющих экосистем. Поступление

как токсичных, так и нетоксичных загрязняющих веществ вызывает

в экосистемах изменения, вследствие чего система стремится перей-

ти в новое устойчивое состояние. В результате восстановительных

работ важно не только понизить трофический статус, например эв-

трофного водоема, но и добиться устойчивости его экосистемы в но-

вых измененных условиях.

Устойчивость экосистемы озера количественно может оценивать-

ся соотношением между годовыми значениями первичной продук-

ции (А) и суммарной деструкции (Д) органического вещества в во-

доеме (см. п. 3.2 настоящей монографии).

помощью многофакторной

регрессионной модели можно установить зависимость отношения А/Д

как показателя устойчивости от приоритетных (климатических, гид-

родинамических, биогенной нагрузки и др.) факторов (Алексеев

и др., 1990). Можно оценить величину отношения А/Д при заданных

будущих значениях входящих в уравнение регрессии факторов и,

наоборот, оценить значение одного из факторов, например биогенной

нагрузки, если известны другие факторы и задано значение А/Д.

Состоянию сбалансированности экосистемы соответствует значение

А/Д = 1, при А/Д > 1 в озере происходит накопление органического

вещества и ухудшение качества воды,при А/Д < 1 озеро обеднено

органическим веществом автохтонного происхождения и характери-

зуется слабой биопродуктивностью.

Чтобы оценить современное состояние озера и наметить пути его

восстановления, необходимо выполнить не только комплексные ста-

ционарные исследования озера, но и обобщить сведения по изучен-

ным озерам данного региона. В состав предпроектных работ входят

следующие: сбор сведений о водоеме и водосборе, мониторинг озера

и его водосбора, лабораторные исследования, математическое моде-

лирование экосистемы озера. На основе полученных данных разра-

батывается экологический проект восстановления озера. После реа-

лизации проекта также осуществляется мониторинг озера, чтобы от-

следить эффективность запланированных мероприятий.

Сбор сведений о водоеме и его водосборе производится с целью

оценки изученности этих объектов и выявления наименее изученных

процессов, влияющих на состояние экосистемы. Собираются клима-

тические и гидрологические данные за многолетний период, необхо-

димые для оценки водности периода исследований, а также о самом

водоеме (его морфометрии, зарастании, гидрологическом, термичес-

ком, гидродинамическом, гидрохимическом режимах, гидробиоло-

гии). Сведения по водосбору, кроме гидрографических характерис-

тик (площадь, высота, уклон, эрозионное расчленение, лесистость,

заболоченность, озерность, распашка), включают данные о наличии

населенных пунктов, промышленных предприятий, ферм, ороситель-

ных и осушительных систем, очистных сооружений. Необходимо

собрать количественные данные о всех водозаборах из озера, а также

о всех очищенных и неочищенных стоках в озеро. Кроме этого, не-

обходимы сведения о подземных водах на водосборе озера: местопо-

ложении гидрогеологических скважин и колодцев, их глубине, де-

бите, химическом составе вод, режиме уровня, объеме забираемой

воды. Перечисленный широкий круг вопросов далеко не всегда воз-

можно осветить без постановки специальных исследований озера, но

на основе собранного материала можно составить представление об

изученности водоема и выделить те вопросы, для освещения которых

потребуется постановка исследований.

Мониторинг озера и его водосбора должен носить комплексный

характер и проводиться не менее 2-3 лет, учитывая разную водность

лет наблюдений. На водосборе озера необходимо обследовать все

притоки, сопоставить границы всех угодий на крупномасштабных

картах и в натуре. После этого по картам определяются гидрографи-

ческие характеристики притоков, необходимые для выявления свя-

зи стока воды и биогенных элементов водотоков с отдельными из

них, например с лесистостью и распашкой водосборов (рис. 3, 4).

Такие зависимости позволяют реконструировать водный и биоген-

ный балансы озера, соответствующие естественному состоянию водо-

сбора, и оценить природный потенциал озера.

В программу работ на озере входят исследования водного, био-

генного и биотического балансов, термического и гидродинамичес-

кого режимов.

Исследования водного баланса озера позволяют выявить и оце-

нить роль отдельных источников в наполнении озера, в том числе

грунтовых вод. Это особенно важно в связи с составлением баланса

биогенных веществ, содержание которых в разных источниках не

одинаково. На основе воднобалансовых исследований устанавлива-

ется величина условного водообмена озера (отношения объема вы-

текающей из озера воды к объему водной массы за тот же период).

Воднобалансовыми исследованиями малых озер Латвии и Карельско-

го перешейка установлено, что сброс воды из озера превышает при-

ток из основного водотока (Воронцова, 1984; Веселова, Юдин, 1984;

Прыткова, 1988). Поэтому показатель условного водообмена, вычис-

ленный по сбросу воды из озера, будет больше его значения, опре-

деленного по притоку.

На основе многолетних воднобалансовых исследований необхо-

димо выявить характер связи между условным водообменом и уров-

нем воды в озере, который зависит от строения чаши озера. Эта связь

будет прямой для озер, расположенных в относительно глубоких

котловинах, где с подъемом уровня рост объема сбрасываемой воды

опережает увеличение объема водной массы (рис. 6). Наоборот,

в широких мелководных озерах типа Большого Ракового на Карель-

ском перешейке небольшому подъему уровня соответствует значи-

тельное увеличение объема водной массы и слабое увеличение объе-

ма сбрасываемой воды. В этом случае связь между условным водо-

обменом и уровнем озера будет обратной. Выявление характера этой

связи особенно необходимо, если в процессе восстановительных ра-

бот предполагается изменение уровня озера. При этом необходимо

иметь в виду, что с изменением уровня озера происходит перестрой-

ка водного баланса (табл. 2) и изменение условного водообмена,

а кривые связи между условным водообменом и уровнем озера бу-

дут разные для естественного и нарушенного состояния (рис. 6).

Исследования баланса биогенных элементов необходимы для

выявления лимитирующего биогенного элемента (азот, фосфор),

оценки биогенной нагрузки на озеро (внутренней и внешней) и его

удерживающей способности. Для этого ведутся наблюдения над кон-

центрацией биогенных веществ во всех источниках наполнения озе-

ра. Кроме того, берутся под наблюдение воды ближайших колодцев,

скважин. На основе сопоставления значений внутренней и внешней

биогенных нагрузок на озеро принимается решение о первоочеред-

ности восстановительных мер на водосборе или в самом озере.

Строятся графики связи между годовыми значениями этих нагрузок

(рис. 19), а также между накоплением фосфора в озере и внешней его

нагрузкой (рис. 20) с учетом данных по исследованному озеру, а так-

же по другим изученным озерам. Механизм этих связей вскрыт

М. В. Мартыновой (1988). Представленные на рис. 19, 20 связи

0.8

1.6

ZP/F

, г/м

ГР/F

, г/м

Рис. 19. Связь между годовыми значениями внутренней и внешней фосфорны-

ми нагрузками.

Озера: 1

—

Рудушское, 2

—

Грижанское, 3

—

Илзес, 4

—

Лапийтис, 5

—

Лаборжское,

—

Удринка, 7

—

Сестрорецкий Разлив.

Рис. 20. Связь между годовым накоплением общего фосфора в озерах Латгаль-

ской возвышенности (темные кружки), Карельского перешейка (светлые кружки)

и годовой нагрузкой общего фосфора.

построены по данным Института озероведения (Стравинская, Ульяно-

ва, 1984; Сорокин, 1983; Калинина, Прыткова, 1988). Зависимости,

аналогичные представленным на рис. 18, позволяют наметить воз-

можные пути уменьшения фосфороудерживающей способности водое-

ма: уменьшить концентрацию общего фосфора в основном притоке,

увеличить условный водообмен озера, уменьшить площадь зараста-

ния, искусственно приблизить устье притока к истоку вытекающего

водотока.

Внутриводоемные исследования включают комплекс термичес-

ких, гидродинамических, гидрохимических и гидробиологических

исследований, а также донных отложений.

Термические исследования, помимо режимных наблюдений на

водомерном посту, должны эпизодически проводиться на постоян-

ных станциях, включающих как глубоководные, так и мелководные

участки. Важно установить наличие или отсутствие термической

стратификации водных масс в водоеме. Последнее может свидетель-

ствовать о хорошем перемешивании водных масс и, следовательно,

исключить необходимость применения таких восстановительных

мер, как аэрация и оксигинация гиполимниона.

Гидродинамические исследования включают изучение стоковых

и ветровых течений. Заметные стоковые течения в малых озерах

обычно наблюдаются в период весеннего половодья, в остальное вре-

мя скорость их ниже чувствительности вертушки. Измеряются сто-

ковые течения на постоянных гидростворах, назначенных на харак-

терных участках озера (расширения, сужения) и на постоянных

вертикалях. Ветровые течения (скорость и направление) измеряются

при ветрах господствующих направлений, имеющих разную скорость.

Этими исследованиями выявляются пути перемещения загрязняю-

щих веществ в озере. Поскольку при воздействии ветра на поверх-

ность озера возникают компенсационные течения противоположного

направления, то часть загрязняющих веществ не выносится из озера,

а циркулирует в водной массе. Стоковые и ветровые течения в зна-

чительной степени определяют самоочищающую способность озера.

Гидрохимические исследования должны охватывать разные фа-

зы гидрологического режима озера (зимняя и летняя межень, поло-

водье и дождевые паводки), но особенно маловодные периоды.

Наблюдения ведутся на постоянных станциях и обязательно на глу-

боководной. На каждой станции отбираются пробы воды для опре-

деления показателей, в сумме характеризующих качество воды.

Гидробиологические исследования позволяют оценить роль раз-

личных биологических сообществ (фито-, зоо-, бактериопланктон,

бентос, макрофиты) в биологическом круговороте задержанного во-

доемом фосфора, от скорости оборачиваемости которого зависит про-

дуцирование органического вещества в водоеме. При этом изучаются

структурные и функциональные изменения биологических сооб-

ществ, их численности, биомассы, продукции и дыхания при повыше-

нии биогенной нагрузки и уровня биопродуктивности озер. Особое

внимание уделяется изучению сукцессии видов и выявлению гидро-

бионтов-индикаторов возрастающего эвтрофирования водоема. Гид-

робиологические исследования выполняются в течение всего вегета-

ционного периода (У-Х),при ледоставе и перед вскрытием водоема.

Обычно они ограничиваются отбором проб на самой глубокой стан-

ции, но в отдельные сроки число станций увеличивается, особенно

если озеро включает как заросшие, так и открытые участки. Коли-

чество станций исследования зообентоса определяется типом грунта

и морфометрией озера. По гидробиологическим данным оценивается

устойчивость экосистемы, устанавливается связь между показателем

устойчивости А/Д и факторами, его определяющими. Для этого, кро-

ме наблюдений на изучаемом озере, используются данные по другим

озерам региона.

Донные отложения озер, аккумулирующие биогенные и загряз-

няющие вещества, при определенных условиях в придонной области

возвращают их в воду. Поэтому в состав исследований на озере дол-

жен входить отбор проб поверхностного слоя отложений дночерпа-

телем с целью анализа содержания в них упомянутых выше веществ.

Одновременно производится механический анализ проб отложений.

Станции отбора проб отложений совпадают с таковыми при других

исследованиях и обязательно охватывают глубоководную зону.

С целью производства восстановительных работ на озере необходимо

знать мощность загрязненного слоя отложений. Для этого из глубоко-

водной зоны отбираются колонки отложений. Эти же колонки под-

вергаются палеолимнологическому анализу (см. п. 1.1), позволяюще-

Таблица 9

Средняя годовая аккумуляция общего фосфора

в озерах Латвии

Озеро

Площадь

зер-

кала,

Метод колонок

отложений

Метод баланса

общ

Озеро

Площадь

зер-

кала,

Период,

число

лет

Аккуму-

ляция,

гР/м

в год

Период,

годы

Аккуму-

ляция,

гР/м

в год

Внешняя

нагрузка,

гР/м

в год

Воркалю 87 100 0.073 1977-

-1979

0.166

0.34

Бечеру-

центр

167 0.017

1977-

-1979

0.118 0.26

Слейновас 257 31 0.0078

1977-

0.078

0.18

Рогайжу 566 143

0.021

-1979

0.200

0.49

Рудушское 61

54 0.078

1982-

-1984

0.095 0.38

Лаборжское

95 175

0.064 1982-

-1983

0.445 1.40

му оценить среднюю годовую аккумуляцию общего фосфора за пос-

ледние 30, 50-100 лет и более, сопоставить ее с современной, полу-

ченной на основе исследования баланса биогенных элементов озер.

Такие данные, по материалам Института озероведения (Сорокин,

1983; Калинина, Прыткова, 1988; Яковлева, 1983; Струкова, Сергеева,

1989), представлены в табл. 9, из которой видно, что средняя акку-

муляция Р

о6щ

в озерах Латгалии в предыдущие периоды была, как

правило, на порядок меньше современной, кроме оз. Рудушского. По

графику связи, представленному на рис. 20, можно определить со-

ответствующую ей внешнюю нагрузку P

бщ

, которая будет характе-

ризовать природный потенциал озера. Например, для оз. Рудушского

при средней годовой скорости аккумуляции Р

общ

за последние 54

года 0.078 г/м

внешняя биогенная нагрузка составила 0.22 г/м

в год

при современном ее значении 0.38 г/м

. Заметим, что полученная

оценка природного потенциала оз. Рудушского палеолимнологичес-

ким методом мало отличается от рассчитанной путем восстановления

водного и биогенного балансов при 100 %-ной лесистости водосбора

(0.29 гР/(м

•

год)).

В лабораторных условиях помимо анализов проб воды и донных

отложений изучается реакция водорослей на добавление в озерную

воду биогенных веществ и выявляются ростлимитирующие биоген-

ные вещества для данного водоема (Хендерсон-Селлерс, Маркленд,

1990).

Ценные сведения об изменении планового очертания озера, пло-

щади его зарастания можно получить на основе сопоставления разно-

временных съемок озера, в том числе и аэрокосмических съемок

(Мальцев, Ускова, 1990). На основе этих материалов можно установить

связь динамики морфометрических характеристик озера, его зараста-

ния с изменением гидроклиматических условий.

Предпроектные исследования озера позволяют оценить его сов-

ременное состояние (трофический статус, устойчивость экосистемы),

выявить причины, приведшие к ухудшению состояния озера, а также

установить все многообразие экосистемных связей. Последнее можно

выразить в виде уравнений регрессии или другой математической

модели экосистемы озера, верифицированной на основе выполнен-

ных полевых работ и описывающей поведение экосистемы. Модели-

рование позволяет ответить на вопрос, что произойдет с экосистемой,

если изменится один или несколько ее начальных параметров. Из

всех вариантов, полученных на основе моделирования, выбирается

тот, который более всего отвечает поставленной задаче, например

снижению содержания в озерной воде биогенных или других ве-

ществ.

Проект восстановления (оздоровления) озера должен опираться

на результаты комплексных исследований водоема и математичес-

кое моделирование его экосистемы. При этом необходимо четко оп-

ределить конечную цель восстановления экосистемы, зависящую от

хозяйственного назначения водоема (питьевое, рыбохозяйственное,

рекреационное, комплексное и др.). Поскольку требования к качест-

ву воды в водоеме при разных видах его использования различают-

ся, то при комплексном использовании водоема в расчет принимают-

ся самые жесткие критерии качества воды.

В заключение отметим, что восстановление экосистемы озера

требует выполнения значительного объема подготовительных работ,

в том числе полевых исследований озера. Только на основе их можно

оценить современное состояние экосистемы озера и сделать вывод

о необходимости вмешательства в экосистему с целью ее оздоров-

ления.

4.2. Определение потенциальных природных возможностей

озерных водоемов

Рассмотренные выше методы оценки природного потенциала озе-

ра (балансовый и палеолимнологический) требуют сравнительно дли-

тельного стационарного изучения водоема, подлежащего восстанов-

лению. В результате такого исследования будет оценена биогенная

нагрузка на водоем, соответствующая естественному состоянию его

водосбора. При наличии материалов обследования большого коли-

чества озер, расположенных в сравнительно однородных природных

условиях, возможен и другой подход к решению задачи, связанной

с оценкой предела снижения уровня трофии водоема. Для решения

этой задачи разработана эмпирическая модель, учитывающая морфо-

метрические характеристики и позволяющая рассчитывать существо-

вавшие до антропогенного воздействия трофические характеристики

водоема (Романов и др., 1988; Якушко и др., 1986; Романов, 1989;

Romanov, Muller, 1991).

Форма котловины озера может быть выражена через показатель

эпилимниона р

, значение которого определяется из выражения

рт=

2_. !-(!-£)« , (4.2)

где h

р и h - соответственно средняя и максимальная глубины во-

доема, м; т - мощность слоя эпилимниона, м. Величина а характе-

ризуется следующим соотношением глубин:

h~ h

(4.3)

~и— •

"ср

На основе обобщения данных по многочисленным (свыше 150) озе-

рам Беларуси установлены статистически достоверные обратные за-

висимости между показателями эпилимниона р

и прозрачностью во-

ды (П) водоемов, развивающихся в естественных условиях, т. е. рас-

положенных среди лесных массивов, где отрицательное антропоген-

ное воздействие минимально. Такие зависимости прослеживаются

для трех групп водоемов: 1) мезотрофно-эвтрофных, 2) низкоминера-

лизованных и дистрофных, 3) с прозрачностью до дна (табл. 10). По

этим уравнениям через показатель эпилимниона P

можно опреде-

лить значение прозрачности воды в озере, которая была свойственна

водоему до воздействия антропогенного фактора. Значение прозрач-

ности воды достаточно хорошо коррелирует с другими показателями

уровня трофии водоема: бихроматной и перманганатной окисляе-

мостью, БПК

, цветностью воды, биомассой и численностью фитоплан-

ктона (Романов и др., 1988) (табл. 11).

Порядок оценки показателей уровня трофии водоема, соответ-

ствующих его естественному состоянию, заключается в следующем:

а) оценивается показатель эпилимниона озера р

по формуле (4.2);

б) определяется прозрачность воды в зависимости от группы водоема

(табл. 10); в) по величине прозрачности воды определяются показатели

Таблица 10

Параметры а и л в уравнении S

= а П ^

Группа озер

Число

Параметры

Коэффи-

циент кор-

реляции

Группа озер

озер

а h

Коэффи-

циент кор-

реляции

Мезотрофно-эвтрофные

129 0.53

-0.73

-0.78

Низкоминерализованные

и дистрофные

0.79

-0.74

-0.81

С прозрачностью до дна 23

1.70

-0.98

-0.94

Таблица 11

Уравнения связи вида у = аП ^

Показатель

Число

озер

Параметры Коэффициент

корреля-

ции

Показатель

Число

озер

а h

Коэффициент

корреля-

ции

БО 86 30.63 -0.35

-0.62

ПО

10.76

-0.46

-0.82

БПК

49 3.18 -0.80

-0.60

Пв 71 38.28 -0.38

-0.56

6.65 -1.28 -0.68

N 68 20.89 -1.38

-0.60

Примечание. БО— бихроматная окисляемость, мгО/л;ПО

—

перманга-

натная окисляемость, мгО/л; БПК

- биохимическое потребление кислорода,

мгО

/л; Цв - цветность, градус; В

—

биомасса фитопланктона, г/м

; N

—

числен-

ность фитопланктона, млн. кл./л; П - прозрачность воды по белому диску, м.

Таблица 12

Сравнительная характеристика расчетных и натурных

трофических показателей оз. Болойсо

Сроки

наблюдений

Проз-

рачность,

Окисляемость, мгО/л

Цвет-

ность,

град.

БПК

мг0

/л

Фитопланктон

Сроки

наблюдений

Проз-

рачность,

Бихромат-

ная

Перманга-

натная

Цвет-

ность,

град.

БПК

мг0

/л

Биомасса,

г/м

Числен-

ность,

млн. кл./л

До загрязне-

3.6

Не опр.

4.7-6.1 20

Не опр.

4.5 22.0

ния (12 07

1971)

При загрязне- 0.6

77.0 10.6 60

7.2 11.0 61.6

нии (16 07

1988)

Расчетные 3.4 25.8 6.2 24 1.2

1.4 3.8

показатели

уровня трофии озера по уравнениям,приведенным в табл. 11, и по

ним - трофический статус водоема в естественных условиях.

В качестве примера приводятся расчетные значения возможных

трофических показателей оз. Болойсо (Витебская область). Площадь

зеркала озера 1.4 км

, наибольшая глубина 15.6 м, средняя 5.3 м.

В летний период наблюдается устойчивая температурная стратифика-

ция. Мощность эпилимниона составляет в среднем 4 м. За год в озеро

сбрасывается около 450 тыс. м

сточных вод. В результате озеро

превратилось в гипертрофный водоем с прозрачностью воды 0.5-

0.7 м. Сопоставление фактических показателей трофии озера (до

загрязнения) с расчетными (табл. 12) показало хорошую сходимость

их значений. Следовательно, оз. Болойсо может быть восстановлено

до расчетных значений показателей трофии.