Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 1, стр. 57-67

ВВЕДЕНИЕ

Участок р. Дон ниже Цимлянского гидроузла характеризуется крайне напряженным водохозяйственным балансом. Проблемы рыбного хозяйства, водоснабжения, ирригации и особенно судоходства резко возрастают на этом участке в периоды маловодья. Неизбежное в это время снижение попусков из Цимлянского водохранилища привело к необходимости гидротехнического решения вопроса обеспечения гарантированных глубин для пропуска судов. С этой целью на р. Дон ниже Цимлянской ГЭС (323 км от устья р. Дон) в разное время были построены 3 низконапорных гидроузла: Николаевский (260 км), Константиновский (209 км) и Кочетовский (179 км). Водные пути ниже Кочетовского гидроузла не зарегулированы, плавание здесь затруднено малыми глубинами на перекатах, наличием крутых излучин, ограничивающих видимость судового хода. Планируемое решение проблемы предусматривает дополнение имеющегося каскада водохранилищ еще одним долинным водохранилищем с низконапорной плотиной у ст. Багаевской (95 км от устья р. Дон).

Разработка любого гидротехнического проекта связана с обязательной оценкой экологических последствий его создания. Требуется надежная количественная оценка возможных в результате строительства Багаевского гидроузла изменений гидрохимического и гидробиологического режимов регулируемого участка Нижнего Дона. Особенно актуально для этого региона, находящегося под влиянием сбросов эвтрофного Цимлянского водохранилища, изменение развития фитопланктона и интенсивности “цветения” воды в вегетационный период, с которым связаны возможные ограничения водопользования и рекреации.

Сложность прогнозирования развития фитопланктона в водохранилищах определяется сочетанием большой изменчивости погодных условий в вегетационный период и совершенно недостаточной из-за исключительно большой трудоемкости обработки проб фитопланктона информации о развитии “цветения” водорослей. Решение проблемы репрезентативных оценок состояния фитопланктона и качества воды водохранилища возможно путем применения хорошо верифицированной математической модели, в которой учтены как особенности гидрометеорологического режима, так и интенсивность химико-биологических процессов в водоеме, что делает возможным выполнять многовариантные расчеты состояния водных масс с суточным шагом счета.

Цель настоящей работы – на основе расчетов по гидроэкологической модели водохранилища ГМВ-МГУ [4, 6, 10] оценить количественные изменения развития фитопланктона, режима биогенных веществ, содержащих азот и фосфор, и растворенного кислорода на участке Нижнего Дона в районе проектируемого Багаевского водохранилища в диапазоне возможных природных и антропогенных воздействий при различных вариантах проектных уровней воды в проектируемом водохранилище.

ФИТОПЛАНКТОН И БИОГЕНЫ В НИЖНЕМ ДОНУ

Водохозяйственная система бассейна Нижнего Дона возникла на базе введенного в эксплуатацию в 1952 г. Волго-Донского комплекса гидротехнических сооружений. Водность р. Дон в нижнем течении определяется, в основном, попусками воды из Цимлянского водохранилища, аккумулирующего 70% стока всего бассейна, а также боковой приточностью, которая формируется на водосборах рек Северский Донец, Сал, Западный Маныч. При естественном режиме годовой сток р. Дон в нижнем течении колебался в пределах от 51 (1942 г.) до 11.8 км³ (1950 г.) при среднем значении – 27 км³. В настоящее время объем речного стока снизился на 25–30% и продолжает сокращаться.

Доля вод боковых притоков в водном балансе участка р. Дон, на котором планируется создание Багаевского водохранилища, составляет не более 4%, остальное – транзитный сток из вышележащего водохранилища, поэтому даже при резких отличиях гидрохимических показателей этих рек от таковых р. Дон их влияние проявляется очень слабо. Определяющий фактор развития для фитопланктона – поступление в водоем биогенных элементов (азота, фосфора, кремния). В многолетней изменчивости режима поступления биогенных элементов в пределах Нижнего Дона значительную роль сыграло преобразование речного стока Цимлянским водохранилищем, в результате чего изменилась скорость поступления биогенных веществ в нижний бьеф Цимлянского гидроузла и трансформировался их качественный состав [6]. Во внутригодовой изменчивости концентраций биогенных веществ в приплотинном плесе Цимлянского водохранилища проявляются общие для водоемов умеренных широт закономерности – максимальные концентрации наблюдаются в конце зимнего периода, минимальные – в период их активного потребления летом. К сожалению, сведений в литературе о количественных характеристиках этих изменений немного. Поэтому при моделировании экологического состояния проектируемого водохранилища приходится ориентироваться на диапазоны колебаний концентраций минеральных форм азота и фосфора в районе Нижнего Дона и в воде, сбрасываемой из Цимлянского водохранилища, приведенные в литературе [3, 6, 7]. Эти обобщения представлены в табл. 1.

На участке проектируемого водохранилища р. Дон принимает несколько небольших притоков, наиболее крупные из которых – реки Сал и Маныч, характеризующиеся невысокими концентрациями минерального азота (до 0.5 мг/л) и фосфора (до 90 мкг/л) [7].

К антропогенным источникам биогенных веществ относятся точечные и диффузные поступления азота и фосфора со сбросами сточных вод промышленности и со стоком с сельскохозяйственных угодий рассматриваемого участка Дона. Сельскохозяйственными землями занято ~33% боковой водосборной территории проектируемого водохранилища. Промышленные предприятия, в основном пищевой промышленности, расположены в наиболее крупных населенных пунктах – г. Семикаракорске, ст. Багаевской. Отдельного внимания заслуживает Новочеркасская ГРЭС, сброс охлаждающей воды которой будет поступать непосредственно в водохранилище. Существенными источниками биогенного загрязнения также могут быть населенные пункты, многочисленные дачные участки и рекреационные объекты, расположенные по берегам р. Дон.

Согласно многолетним данным гидробиологического мониторинга и экспедиционных исследований, фитопланктон Нижнего Дона отличается высоким видовым разнообразием. В систематическом плане он представлен шестью отделами: диатомовые (Bacillariophyta), зеленые (Chlorophyta), синезеленые (Cyanophyta), пирофитовые (Pyrrophyta), золотистые (Chrysophyta) и эвгленовые водоросли (Euglenophyta) [3, 6].

Весной фитопланктон водных объектов Нижнего Дона представлен, в основном, диатомовыми водорослями. В июне после непродолжительной фазы “чистой воды” с минимальной биомассой фитопланктона диатомовые водоросли сменяются водорослями теплолюбивого летнего комплекса, ведущая роль в котором принадлежит синезеленым. Осенние месяцы (сентябрь и октябрь) характеризуются усилением вегетации синезеленых водорослей и дальнейшим возрастанием их доли в фитопланктоне. За счет интенсивной вегетации синезеленых общая биомасса фитопланктона остается на высоком уровне. Доля пирофитовых микроводорослей незначительна. Эвгленовые и золотистые водоросли отмечаются единично и не во всех пробах. По данным [1], биомасса фитопланктона во второй половине XX в. колебалась в различные сезоны года в пределах 0.003–0.011 мг/л зимой, 0.45–4.32 мг/л весной, 0.44–8.90 мг/л летом–осенью при среднем значении за вегетационный период 2.6 мг/л. При этом было установлено, что на состав и количественное развитие альгофлоры Нижнего Дона доминирующее влияние оказывает Цимлянское водохранилище: сезонные изменения фитопланктона в Нижнем Дону и приплотинном плесе Цимлянского водохранилища полностью идентичны. Современные обследования фитопланктона на участке проектируемого водохранилища показали заметное увеличение диапазона колебаний биомассы фитопланктона в течение вегетационного сезона с 2008 до 2009 г.: непосредственно в р. Дон – от 0.18–7.86 до 0.14–42.25, в р. Сал – от 0.12 до 17.41, в устье р. Северский Донец – от 0.39 до 13.48 мг/л [3].

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ФИТОПЛАНКТОНА

Прогноз развития фитопланктона проектируемого водохранилища выполнен путем сценарных расчетов по математической модели ГМВ-МГУ для двух проектных уровней НПУ Багаевского гидроузла (г/у): 2.0 и 2.8 м Балтийской системы высот (БС). Расчет по модели позволяет имитировать изменчивость основных физических и гидродинамических процессов, протекающих в водоеме и на его границах с внешней средой, а также рассчитывать изменения концентрации биогенных веществ, растворенного в воде кислорода, развитие основных групп фитопланктона (диатомовых и синезеленых водорослей).

Исходя из морфологических особенностей предполагаемого к затоплению участка Нижнего Дона, водохранилище в модели схематизировано в виде продольной последовательности четырех отсеков водоема: отсек I‑1 – от Кочетовского г/у до ст. Раздорской (3005–3032 км судового хода), I‑2 – от ст. Раздорской до ст. Мелиховской (3032–3051 км), I‑3 – от ст. Мелиховской до ст. Багаевской (3051–3071 км) и I‑4 – от ст. Багаевской до Багаевского г/у (3051–3089 км) (рис. 1). Каждый из этих отсеков представляет собой вертикальную серию горизонтальных слоев (боксов), в пределах которых температура и концентрация веществ имеют осредненные значения.

Изменения любой характеристики водной массы в боксе, связанные с ее движением, перемешиванием, фазовыми переходами, превращением теплоты в другие виды энергии, описываются на основе соблюдения закона сохранения вещества и энергии:

где С – концентрация; V – объем слоя; A – фактор, отражающий вертикальный перенос; B – фактор, отражающий горизонтальный перенос (приток–отток); Р – фактор, отражающий внутримассовые эффекты, оказывающие влияние на концентрацию; t – время; z – расчетный горизонт.

Уравнение состояния воды представлено в модели в виде зависимости ее плотности от температуры и электропроводности для пресной воды гидрокарбонатного и сульфатного классов [9]. Алгоритм модели структурирован в виде пяти следующих модулей на основе метода суперпозиции (наложения):

1) гидрометеорологический модуль, в котором рассчитывается трансформация метеоэлементов над водной поверхностью отсеков, водный баланс водохранилища, изменение уровня водной поверхности на конец расчетного шага по времени, теплообмен отсеков с атмосферой и грунтами дна, распределение проникающей солнечной радиации по глубине, возникновение и изменение снежно-ледяного покрова;

2) модуль горизонтальной адвекции, в котором рассчитывается водообмен каждого отсека с внешней по отношению к нему средой и связанная с этим трансформация характеристик качества воды (ХКВ) в боксах;

3) модуль внутреннего горизонтального водообмена, в котором выполняется расчет трансформации ХКВ в боксах в результате внутреннего водообмена между отсеками в виде плотностных, дрейфовых и компенсационных течений;

4) модуль внутреннего вертикального водообмена, в котором рассчитываются три основных вида вертикального перемешивания водной массы водохранилища, возникающих в результате ее взаимодействия с внешней средой;

5) модуль внутримассовой трансформации ХКВ, в котором выполняется расчет неконсервативных характеристик, концентрации которых меняются под влиянием комплекса различных процессов физико-химического, химического и биохимического характера; в алгоритме этого модуля предусмотрен расчет следующих характеристик: биомассы трех групп фитопланктона (диатомовых, синезеленых и зеленых водорослей), зоопланктона, ихтиофауны, содержания растворенного кислорода, фосфатного, аммонийного и нитратного ионов, нестойкого и стойкого органического вещества, минеральной и органической взвеси, седиментов в донных отложениях; расчет всех этих переменных проводится по уравнениям баланса массы в соответствии с концептуальными схемами взаимосвязей переменных в водной экосистеме.

В конце расчета каждого из модулей осуществляется контроль баланса вещества и энергии в отсеках.

Базовое уравнение для расчета биомассы каждой группы фитопланктона имеет вид:

где представлены биомассы, г/м³: B_a – фитопланктона, B_z – зоопланктона, B_f  – рыб; скорости процессов, 1/сут: K_ag – роста, K_ar – дыхания, K_ae – экскреции, K_am – отмирания фитопланктона, K_z – питания зоопланктона, K_f – питания рыб; ω_a – скорость осаждения фитопланктона, м/сут; коэффициенты предпочтения пищи по фитопланктону: σ_az – для зоопланктона, σ_af – для рыб; концентрации имеющейся общей весовой пищи в боксе с учетом предпочтений: Ф_z – для зоопланктона, г/м³; Ф_f  – для рыб, г; V – объем бокса, м³.

Баланс растворенного кислорода при его внутримассовой трансформации учитывает процессы фотосинтеза, фотодыхания фитопланктона, дыхания зоопланктона и рыб, разложения детрита и растворенного органического вещества, окисления сульфатов, железа и марганца, нитрификацию аммония, потребления донными отложениями и обмен с атмосферой.

Из биогенных веществ моделируется режим наиболее важных для развития фитопланктона элементов: фосфора, азота и кремния. Изменение содержания в воде кремния учитывается только при моделировании развития диатомовых водорослей.

Для проверки адекватности получаемых результатов моделирования изменений ХКВ и калибровки физических и биологических параметров экологического блока модели выполнены расчеты для бытовых условий Нижнего Дона с 1 апреля по 30 ноября среднего по водности 1986 г. В табл. 2 представлены диапазон изменений ХКВ Нижнего Дона по данным литературных источников и результаты этого расчета, которые свидетельствуют о том, что рассчитанные для условий 1986 г. изменения ХКВ Нижнего Дона в пределах проектируемого водохранилища не противоречат данным гидрохимических наблюдений на этом участке Нижнего Дона [2].

Результаты этих расчетов показали также, что развитие фитопланктона и, соответственно, содержание растворенного в воде кислорода во время вегетации водорослей на рассматриваемом участке Дона в значительной степени определяются изменениями биомассы водорослей в поступающем через Кочетовский г/у стоке (рис. 2а, 2в), т.е. содержанием водорослей в приплотинном плесе Цимлянского водохранилища и устье Северского Донца, что подтверждается и данными полевых исследований [2]. Вариации содержания биогенных веществ в речной воде зависят не только от их поступления через Кочетовский г/у , но и от развития продукционно-деструкционных процессов на рассматриваемом участке Дона (рис. 2б): во время “цветения” основных групп водорослей – диатомового и синезеленого комплекса – концентрация биогенных веществ в воде заметно снижается. С этим же связано и повышенное насыщение кислородом (>100%) поверхностных вод в весенне-летний период (рис. 2г).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для решения поставленной задачи оценки изменения экологического режима участка Нижнего Дона после создания на нем Багаевского водохранилища разработаны сценарии модельных расчетов для различных по метеоусловиям вегетационных сезонов (аномально жаркие 1972 и 2010 гг., средние по погодным условиям 1986 и 2014 гг., аномально холодный 1987 г.) и различных уровней НПУ проектируемого водохранилища (2.0 и 2.8 м БС). Оценивалось влияние метеоусловий вегетационного сезона, роста биогенной нагрузки и развития фитопланктона в р. Дон выше проектируемого гидроузла, роста биогенной нагрузки с бокового водосбора и влияние сброса в водохранилище теплых вод из отводного канала Новочеркасской ГРЭС.

Результаты расчетов показали следующее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования приводят к следующим выводам.

Режим биогенных веществ участка реки в пределах проектируемого водохранилища находится в прямой зависимости от их поступления из Цимлянского водохранилища. Развитие биомассы фитопланктона Багаевского водохранилища определится, в основном, поступлением биогенов через Кочетовский г/у, а влияние биогенной нагрузки с бокового водосбора незначительно. Повышение НПУ водохранилища на 0.8 м приведет к росту средней за вегетационный сезон биомассы фитопланктона на 15–20%.

На состав и количественное развитие альгофлоры Нижнего Дона доминирующее влияние оказывает Цимлянское водохранилище. Создание Багаевского водохранилища с НПУ 2.0 м приведет к незначительному увеличению в створе его гидроузла средних значений биомассы фитопланктона по сравнению с существующими условиями. В зависимости от погодных условий оно составит для диатомовых водорослей 2–5, для синезеленых водорослей 4–7%. Максимальные среднесуточные значения биомассы водорослей в поверхностном слое увеличатся для диатомовых на 1–5, для синезеленых – на 1–3%. В нижний бьеф гидроузла будет поступать вода с содержанием синезеленых водорослей в среднем на 1–5% больше, чем при существующих условиях.

При НПУ водохранилища 2.8 м увеличение биомассы фитопланктона будет существенно больше: для средних значений биомассы диатомовых водорослей – на 13–23, максимальных – на 20%, в нижний бьеф в период “цветения” будет поступать вода с повышенной на 7–19% биомассой водорослей. Среднее содержание синезеленых водорослей увеличится на 16–26, максимальное – на 14–17%, их содержание в нижнем бьефе возрастет на 13–21% в зависимости от погодных условий вегетационного сезона.

Результаты расчетов показывают также, что различия метеорологических условий вегетационных сезонов оказывают незначительное влияние на конечный результат продукционных процессов в пределах рассматриваемого участка Нижнего Дона как в существующих условиях, так и при условии создания Багаевского водохранилища. Быстрая смена воды на участке мешает особенностям погодe оказывать существенное влияние на интенсивность развития фитопланктона.

Диагностические расчеты показали, что влияние Новочеркасской ГРЭС на продукционные процессы в пределах рассматриваемого участка Нижнего Дона незначительно и в средний по метеоусловиям год составит ~3% для весеннего диатомового комплекса и 1.4% для синезеленых водорослей. При создании проектируемого водохранилища это влияние усиливается, но тоже крайне незначительно: средняя биомасса диатомовых водорослей снизится на 4–5, а синезеленых увеличится на 1–2% по сравнению с аналогичными условиями, но при отсутствии сброса в водохранилище теплых вод ГРЭС.

Создание водохранилища с НПУ 2.0 м приводит к снижению средних значений концентрации РО₄, NH₄ и NO₃ в водохранилище соответственно на 5, 1 и 6% в жаркий год и на 7, 5 и 14% в холодный год по сравнению с существующими условиями. Повышение НПУ водохранилища с 2.0 до 2.8 м приведет к еще большему снижению средних концентраций биогенных веществ как в самом водохранилище, так и в его нижнем бьефе соответственно на 16, 29 и 42% по сравнению с существующими условиями.

Колебания разницы концентраций в поверхностных и придонных слоях объясняются чередованием условий полного вертикального перемешивания водной толщи и штилевых условий погоды, при которых стратификация устанавливается очень быстро. С подъемом уровня при создании Багаевского гидроузла диапазон вертикальных различий концентраций биогенных веществ увеличивается для всех рассматриваемых веществ. Однако это увеличение не настолько существенно, чтобы повлиять на экологическую ситуацию в водохранилище.

В период интенсивной вегетации фитопланктона в водохранилище возникает слабая вертикальная стратификация растворенного кислорода, при которой, однако, зоны аноксии не образуются при всех расчетных сценариях (проектные уровни, гидрометеорологические условия года). Отсутствие аноксии в Багаевском водохранилище объясняется благоприятными условиями гидродинамического перемешивания водной массы водохранилища при высокой его проточности.