Институт водных и экологических проблем СО РАН
Влияние гидрологических и метеорологических факторов на качество воды Новосибирского водохранилища в годы средней водности
С.Я. Двуреченская, Н.И. Ермолаева, О.В. Кондакова
г. Барнаул
Аннотация
Установлено влияние гидрологических и метеорологических факторов (температуры воды, атмосферных осадков, притока воды в водохранилище, сбросов в нижний бьеф, уровня и объема водохранилища, интенсивности внешнего водообмена) на химический состав воды (содержание растворенного кислорода, взвешенных веществ, нитратов, нитритов, соединений, содержащих аммонийный азот, сульфатов, хлоридов, фосфатов, ряда органических веществ и тяжелых металлов) Новосибирского водохранилища в средние по водности годы. Рассмотрены периоды весеннего наполнения водохранилища и летней стабилизации уровня воды на отметке нормального подпорного уровня как периоды формирования качества воды водохранилища и наиболее активного развития биоты.
Ключевые слова: средневодные годы, гидрохимические характеристики, внешний водообмен, атмосферные осадки, температура
Abstract
The influence of hydrological and meteorological factors on the water quality of the Novosibirsk reservoir in the years of mean water content
S.Ya. Dvurechenskaya* , N.l. Yermolaeva , O.V. Kondakova
Institute for Water and Environmental Problems, the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Barnaul,
The influence of hydrological and meteorological factors (water temperature, precipitation, intensity of external water exchange, water inflow into the reservoir, discharge to the downstream, water level, reservoir volume) on the chemical composition of water (content of dissolved oxygen, suspended solids, nitrates, nitrites, compounds containing ammonium nitrogen, sulfates, chlorides, phosphates, a number of organic substances and heavy metals) of Novosibirsk Reservoir in the mean-water years was analyzed. The period of reservoir filling in spring and the period of water level standing at the normal maximum operating level in summer were investigated as the times most important for water quality and biota development in the reservoir.
Keywords: mean-water years, hydrochemical characteristics, external water exchange, precipitation, temperature
Введение
Создание крупных гидротехнических систем является причиной ряда масштабных изменений природной среды. Прежде всего, в водохранилищах по сравнению с естественными условиями уменьшается проточность, сокращается водообмен, снижается турбулентность воды, создаются условия для возникновения застойных зон. Чем ниже водообмен, тем медленнее изменяются физико-химические свойства вод. Уменьшение скорости течения приводит к нарушению стока взвешенных веществ и к снижению их содержания в воде. Благодаря большой площади водной поверхности в летне-осенний период улучшается аэрация вод, повышается интенсивность процессов самоочищения (Атавин и др., 1997; Матарзин, 2003). С другой стороны, в результате поступления взвешенных наносов, растворенных веществ, содержащих биогенные элементы и органические соединения, повышения среднегодовой температуры водных масс в водохранилище интенсивнее образуется автохтонное органическое вещество за счет значительного роста биологической продукции, т.е. создаются благоприятные условия для эвтрофикации (Авакян и др., 1987; Nazari-Sharabian and Taheriyoun, 2022; Wang et al., 2022).
Скорость и характер экологических изменений зависят от объема водохранилища, его гидрологического режима, интенсивности использования водных и биологических ресурсов.
На формирование качества воды в водохранилищах влияют местные природные условия, метеорологические факторы, степень эвтрофикации и загрязнения реки, на которой образовано водохранилище, лимнологические особенности, количественные показатели внешнего водообмена, гидродинамика и гидрофизические свойства водной массы (Никаноров и Посохов, 1985; Сальников и Саппо, 2005; Тимченко, 2006; Lecomte et al., 2022; Li et al., 2021; Wang et al., 2023).
В водохранилищах происходит перестройка взаимодействия гидросферы, атмосферы и водной биоты, сложившегося в исходной речной экосистеме. Регулирование гидрологического режима происходит путем искусственного управления, которое по большей части и определяет функционирование водоема, в том числе его гидрохимическую составляющую. Актуальность грамотного регулирования гидродинамического режима особенно высока, поскольку все усиливающееся техногенное воздействие на экосистему снижает самоочищающую способность водохранилищ (Алекин, 1970; Розенберг и др., 2011; Calijuri et al., 2015; da Rocha et al., 2015; Li et al., 2021; Setegn, 2015).
Примером формирования качества воды в крупной природно-техногенной системе могут служить многолетние изменения гидролого-гидрохимического режима Новосибирского водохранилища и его нижнего бьефа (Васильев и др., 1990, 1997; Двуреченская и Ермолаева, 2014; Ланбина и Карпеева, 1985; Подлипский, 1985; Савкин и Двуреченская, 2014; Савкин и др., 2014, 2018; Чайкина, 1975).
К настоящему времени экосистема водохранилища подвергается как антропогенной нагрузке, так и влиянию целого комплекса природных факторов (Савкин, 2000; Савкин и Двуреченская, 2018). Химический состав воды в Новосибирском водохранилище формируется в основном за счет притока р. Оби. Поступление химических веществ с водой р. Оби в приходной статье баланса является преобладающим (93-95%). Наиболее крупные боковые притоки не вносят какого-либо ощутимого вклада в качество воды водохранилища (не более 4%). При этом сами они могут являться участками с повышенной экологической напряженностью, главным образом за счет вклада антропогенной составляющей (Двуреченская, 2012).
Качество воды в водоемах зависит не только от количества загрязняющих веществ, поступающих с речным притоком, но и от интенсивности водообмена, температуры воды, количества атмосферных осадков и т.д. В результате регулирования стока воды водохранилищами осуществляется и регулирование стока химических веществ (Знаменский, 1981; Han et al., 2018; Lecomte et al., 2022).
Таким образом, изучение качества воды водохранилищ и воздействия на него различных природных и антропогенных факторов является весьма важной и актуальной задачей.
Целью данной работы является исследование влияния гидрологических и метеорологических факторов на химический состав воды Новосибирского водохранилища в средние по водности годы в периоды наполнения водохранилища и летнего стояния на отметках нормального подпорного уровня (НПУ), то есть во время формирования качества воды водохранилища и наиболее активного развития биоты.
Материалы и методы
В работе выполнено исследование связи показателей качества воды Новосибирского водохранилища с гидрологическими и метеорологическими характеристиками для средних по водности лет (1990, 1992, 1994, 1999, 2000, 2002, 2005, 2007, 2009 гг.). наполнение водохранилище биота
Отбор проб воды для изучения гидрохимических показателей проводили на основных створах в верхней, средней и нижней частях водохранилища (Рис. 1) батометром Молчанова с борта теплохода с глубины 0.6 h, где h - глубина водохранилища в точке отбора. Одновременно с отбором проб производилось измерение температуры воды.
Рассмотрены периоды весеннего наполнения водохранилища и летней стабилизации уровня воды на отметке нормального подпорного уровня, поскольку именно в эти периоды происходит формирование качества воды водохранилища и наблюдается наиболее активное развитие биоты.
Пробы отбирались в период открытой воды с апреля по август, как правило, ежемесячно. Химико-аналитические работы выполнялись в аккредитованном отделе по контролю качества природных и сточных вод ФГУ «ВерхнеОбьрегионводхоз» Федерального агентства водных ресурсов РФ по стандартным методикам анализа природных вод1. Всего было проанализировано 527 проб воды. Значения ХПК (химического потребления кислорода), концентрацию гидрокарбонат-ионов, хлорид-ионов и ионов кальция определяли титриметрическим методом. Количество растворенного кислорода измеряли иодометрическим методом (метод Винклера). Содержание различных форм минерального азота, фосфат-ионов и фенолов определяли фотометрическим методом. Концентрацию сульфат-ионов измеряли турбидиметрическим методом. Количество нефтепродуктов определяли ИК-спектрометрическим методом. Содержание металлов измеряли методами фотометрическим и атомно-абсорбционной спектрометрии.
Рассматривались следующие гидрологические и метеорологические параметры: приток воды в водохранилище и сбросы в нижний бьеф, уровень и объем водохранилища, температура воды, атмосферные осадки, температура воздуха, интенсивность внешнего водообмена. Данные о характеристиках гидрологического режима Новосибирского водохранилища (суточные значения среднего по водохранилищу уровня воды, расходов притока к створу ГЭС и сбросов в нижний бьеф) использованы из литературных и справочных источников Нормативные документы РД 52.24, внесенные в Федеральный перечень методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей природной среды. Интернет-ресурс. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши, 1990-2009. Ч. 2. Озера и водохранилища. Т 1. Выпуск 10. Ежегодное издание. Западно-Сибирское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Новосибирск, Россия., Информационная система по водным ресурсам и водному хозяйству бассейнов рек России. Электронный ресурс. . Коэффициенты внешнего водообмена вычислены по формуле В.Н. Штефана как отношение полусуммы объемов притока и сброса к объему водохранилища, определенному по фактическим данным об уровне воды за рассматриваемые периоды времени (Китаев, 2009; Матарзин, 2003).
Метеорологическая информация (температура воздуха, атмосферные осадки) получена с сайта Meteomanz.com Meteomanz.com. Электронный ресурс..Для верхней и средней частей водохранилища использованы данные по метеостанции Камень-на-Оби, для нижней части водохранилища - по метеостанции п. Огурцово.
Статистическая обработка материала проведена в пакете программ PAST. Для анализа влияния комплекса факторов среды, которые априори зависимы один от другого, использован канонический анализ соответствий (CCA - canonical correspondence analysis) (Ter Braak, 1986).
Результаты и обсуждение
Ранее нами были установлены сильные статистически достоверные связи (по коэффициенту корреляции Спирмена) между интенсивностью водообмена и рядом химических показателей для многоводного года, выявлены различия этих связей для лет разной водности (для маловодного 2012 г. и многоводного 2013 г.). Показано, что в многоводные годы на качество воды в большей степени влияют гидрологические характеристики, в то время как в маловодные годы основное влияние оказывают внутриводоемные процессы (Савкин и Двуреченская, 2017; Савкин и др., 2020; Dvurechenskaya and Kondakova, 2020).
Воды весеннего половодья играют решающую роль в формировании водных масс водохранилищ (Богословский, 1980). Основной приток воды в Новосибирское водохранилище поступает в мае-июне, в отдельные годы - также в апреле и июле (Рис. 2). Период с июля по август характеризуется наибольшим развитием биоты, также влияющим на качество воды водохранилища (Двуреченская и Ермолаева, 2014; Савкин и др., 2014).
Внутригодовое изменение гидрологических характеристик Новосибирского водохранилища (на примере среднего по водности 2005 г.) показано на Рис. 2-3. Границы рассматриваемого периода отмечены вертикальными жирными линиями.
В течение исследуемого периода уровень воды в апреле-июне интенсивно повышается в результате наполнения водохранилища стоком весеннего половодья, в июле-августе - поддерживается на отметках, близких к НПУ (Савкин и др., 2014). Средняя многолетняя дата начала наполнения водохранилища - 14 апреля, дата достижения НПУ - 17 июня. В рассматриваемые годы начало наполнения приходилось на 7-18 апреля, а окончание - на период с 9 июня по 9 июля.
Новосибирское водохранилище является водоемом с большим водообменом (Савкин и др., 2014; Фортунатов, 1974). Среднемноголетняя интенсивность внешнего водообмена в среднем составляет 6.65 раз/год. Наиболее интенсивно смена водных масс водохранилища происходит весной, с максимумом в мае (Рис. 3). В рассматриваемые годы коэффициент водообмена был равен 6.21-6.82.
Результаты выполненного исследования связи химического состава воды Новосибирского водохранилища с гидрологическими и метеорологическими факторами представлены в Табл. 1-4.
Канонический анализ соответствий продемонстрировал, что для Новосибирского водохранилища собственные значения первых четырех осей объясняют 87.48% вариации зависимости между химическими параметрами качества воды и факторами среды. Причем наибольший процент приходится на оси 1 и 2 (Табл. 2). В этой связи дальнейшие обсуждения приводятся именно для этих осей.
Анализируя данные Табл. 3, можно сделать вывод, что ось 1 определяется всеми рассматриваемыми гидрологическими и метеорологическими параметрами, а ось 2 - в большей степени уровнем, объемом водохранилища, осадками и коэффициентом водообмена.
Данные Табл. 4 демонстрируют, что наиболее высокие показатели силы связи концентраций химических ингредиентов (всех форм минерального азота, сульфатов, фосфатов, фенолов, ионов железа) обнаружены с осью 1. С осью 2 значимые связи продемонстрировали ХПК, нитраты, хлориды, фосфаты, фенолы, ионы железа, меди и хрома.
Как видно из ординационной диаграммы (Рис. 4), содержание хлоридов, аммонийных соединений, нитритов, нитратов, фосфатов, железа, марганца, магния положительно коррелируют с коэффициентом водообмена, притоком и расходом воды водохранилища и отрицательно - с объемом водохранилища, уровнем, температурой воды и воздуха, осадками. Значения pH, концентрация растворенного кислорода, щелочность и нефтепродукты, наоборот, отрицательно связаны с коэффициентом водообмена, но положительно коррелируют с объемом водохранилища, уровнем воды, температурой воды и воздуха, осадками. Для значений ХПК, БПК5 и концентраций фенолов связь с рассматриваемыми гидрологическими и метеорологическими параметрами не установлена. Эти ингредиенты, по-видимому, в большей степени зависят от содержания веществ, поступающих в водохранилище с водами р. Оби.
Наши исследования позволяют сделать вывод о существенном влиянии гидрологических и метеорологических факторов на целый ряд гидрохимических показателей качества вод Новосибирского водохранилища. Об этом же свидетельствуют и работы других авторов (Двуреченская и др., 2010; Савкин и др., 2014, 2020; Delpla et al., 2009; Skaland et al., 2022; Zhu et al., 2021).
Рис. 1. Схема Новосибирского водохранилища.1 - пункты отбора проб, 2 - границы между частями водохранилища; I - верхняя часть, II - средняя часть, III - нижняя часть.
Рис. 3. Месячные коэффициенты внешнего водообмена Новосибирского водохранилища. 1 - в 2005 г., 2 - средние за 1960-2021 гг.