Водные ресурсы, 2021, T. 48, № 3, стр. 344-353

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Плещеево озеро входит в национальный парк “Плещеево озеро”, расположено в южной части Ярославской области на восточной окраине Нерльской низины, представляющей собою флювиогляциальную равнину московского оледенения. Площадь озера ~51 км², максимальная длина 9.5 км, ширина 6.5 км, глубина 25 м, объем воды – 0.58 км³. Площадь водосборного бассейна, включая водоем, составляет 408 км². Преобладающие типы почв – дерново-среднеподзолистые, тяжело- и среднесуглинистые. Берега низменные, заболоченные. Большая часть побережья занята лугами и кустарниками. Бассейн озера расположен в зоне достаточного увлажнения, в подзоне смешанных лесов. Климат региона умеренно-континентальный с холодной зимой и умеренно теплым летом. Норма годовых осадков, по данным метеостанции г. Переславль-Залесский, составляет 590 мм. [16]. Режим водного питания озера определяется как климатическими факторами, так и особенностями геологического строения водосбора. Основной приток озера – р. Трубеж – берет начало в Берендеевском болоте на водоразделе бассейнов Оки и Верхней Волги. Длина реки 32 км, ширина и глубина в устье 36 и 2–3 м соответственно. Река имеет несколько десятков мелких притоков. В устьевой области р. Трубеж расположен г. Переславль-Залесский, оказывающий существенное влияние на качество воды. Остальные притоки озера представляют собой мелкие речки и ручьи длиной <10 км. Вытекает из озера одна река – Векса, впадающая в оз. Сомино. Длина реки 8 км, ширина у истока 21 м, наибольшая глубина ~1.5 м. Водное питание озера тесно связано с подземными водами, о чем свидетельствуют родники и самоизливающиеся скважины на его побережье. Так, ключ Гремяч в течение года имеет дебит ~1 тыс. м³/сут. Основное количество воды поступает в озеро со стоком р. Трубеж и с осадками на зеркало. Расходная часть баланса на три четверти определяется стоком р. Вексы.

Работа по исследованию ОВ проводилась в вегетационный период 2017 г. и в начале половодья 2018 г. на 15 притоках оз. Плещеево (рис. 1). Пробы отбирались с поверхностного горизонта в одной точке устьевой области каждого притока один раз за сезон: весной – в середине мая, летом – в середине августа и осенью – в начале ноября. Начало половодья в 2018 г. пришлось на первые числа апреля.

Приокско-Террасный государственный природный биосферный заповедник (ПТЗ) расположен на левом берегу Оки в Московской области. Площадь заповедника 4945 га, 93% занято лесами. До создания заповедника его территория подвергалась интенсивному антропогенному воздействию. На территории выделено три основных типа ландшафта: нижние террасы, верхние террасы (центральная часть заповедника) и плакорная водораздельная территория на северной окраине заповедника. Ландшафт верхних террас характеризуется волнистым рельефом и овражной сетью. Значительные площади верхних террас заболочены. Гидрологическая сеть на территории заповедника представлена речками, озерами и болотами. Главные водотоки представляют две лесные речки – Пониковка длиной ~6 км и Таденка – 8.7 км, большей частью протекающая по территории заповедника.

Исток р. Таденки находится выше северной границы заповедника в заболоченном массиве. Русло реки проходит по бурым оглеенным супесчано-глинистым осадочным породам флювиогляционального генезиса. Подстилающие породы Таденки – верхние моренные оглеенные супеси, перекрывающие нижезалегающие монтмориллонитовые коричневые и черные глины. Основной источник питания водотока – ключи, в большом количестве сосредоточенные на востоке территории ПТЗ. Таденка имеет немногочисленные овраги, русла которых прорезают водоупорные глины и элювий известняков карбона.

В ПТЗ на протяжении нескольких десятилетий проводится мониторинг популяции бобров. В 1948 и 1955 гг. на реках Таденке и Пониковке соответственно были выпущены две пары бобров, которые и положили начало популяции. На 2007–2009 гг. в бассейне р. Таденки было сосредоточено до 80% общего поголовья бобров заповедника [3]. В конце 2009 г. в русле Таденки насчитывалось 87 плотин, средняя длина которых составляла ~26 м, на притоке Таденки руч. Ниговец – 22 плотины. Бобры значительно изменили долину реки. Так, если в 1950-х гг. средняя глубина русла была 15–20 см при средней ширине до 2 м, то к 1970-м гг. глубина составляла до 1 м при ширине 4 м.

Работа по исследованию ОВ на р. Таденке проводилась в апреле, июле и октябре 2009 г. и в октябре 2010 г. В апреле 2009 г. пробы воды отбирались в верхнем, среднем и нижнем течении реки. В остальное время сеть станций была более дробной и включала в себя точки отбора перед каскадом бобровых плотин и после них, а также в прудах, образованных бобровыми плотинами. Осенью 2009 и 2010 гг. также были отобраны пробы воды из притока Таденки – руч. Ниговец. Нумерация станций следующая: ст. 1 – незарегулированный участок, расположенный выше плотин каскада прудов верхнего течения реки, к осени этот участок мог значительно пересыхать; ст. 2 – среднее течение; 2a – среднее течение перед д. Родники; 2в – участок реки в среднем течении, расположенный выше плотин каскада этого участка напротив д. Родники, мог пересыхать к осени; 2с – пруд в среднем течении реки перед каскадом плотин; 2d – пруд, в 2009 г. функционировал, в 2010 г. весной спущен, в конце лета восстановлен; 2е – проточный участок реки, расположенный ниже плотин каскада прудов в среднем течении водотока; 3 – нижнее течение; 4 – приток Таденки р. Ниговец, также заселенный бобрами (рис. 2).

Рис. 1.

Картосхема территории станций отбора проб на оз. Плещеево.

Рис. 2.

Картосхема территории станций отбора проб на р. Таденке: 1–4 – станции.

Для оценки содержания ОВ в водных объектах определялись следующие показатели: химическое потребление кислорода (ХПК) (бихроматная окисляемость), перманганатная окисляемость (ПО), цветность (Цв), углерод органический С_орг, физиологическая калорийность Q1, гумусность (Hum). Биохимическое потребление кислорода за 5 сут (БПК₅) определялось в р. Таденке ПТЗ.

Пробы воды доставлялись в лабораторию гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН, где были проанализированы непосредственно автором статьи. ХПК определялось фотометрическим методом с применением анализатора жидкости “Флюорат-02”. ПО, БПК₅, Цв определялись общепринятыми методами [14]. Концентрация растворенного С_орг рассчитана по концентрации ХПК по формуле: С_орг = 0.375ХПК [14]. Q1 определялась по формуле: Q1 = ОК × ХПК, где ОК = 3.4 – оксикалорийный коэффициент [1]. Для комплексной характеристики содержания ОВ в воде введен показатель Hum, который определялся как среднее геометрическое Цв и ПО [6]. Также для качественной оценки ОВ вод приведены соотношения между косвенными его характеристиками: ПО/ХПК, Цв/С_орг, БПК₅/ХПК.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Неоднородность рельефа и геологического строения территории водосбора оз. Плещеево обусловливает и различие химического состава растворенных веществ в притоках. Косвенные характеристики ОВ по ХПК в исследованных объектах варьируют в пределах 3.5–36.9 мгО/дм³, ПО – 0.5–90 мгО/дм³. Данные по Цв могут различаться в сотни раз, как, например, в р. Язевке и ключе Безымянном (табл. 1). Единственный, вытекающий из озера, приток р. Вексa имеет схожие с озером гидрохимические характеристики. Водотоки с минимальными значениями характеристик ОВ – приток Еглевки, ключи Гремяч и Безымянный – питают преимущественно подземные источники.

Отношение ПО/ХПК в зависимости от сезона и характера питания водотока менялось от 2 до 86%, что свидетельствует о разной доле автохтонного и аллохтонного ОВ в воде. Больше всего аллохтонного ОВ (ПО/ХПК > 60%) зарегистрировано в реках Вексе, Язевке, Куротени, Еглевке, Веслевке, Большая Слуда, Малая Слуда, Рябцовке в летний период, Трубеж – весной, Язевке – в период половодья, Веслевке и в ключе Гремяч – в осеннюю межень. Между показателями Цв воды – показателем содержания гумусовых веществ и ПО, характеризующей наибольшую степень окисления аллохтонного ОВ, – отмечена тесная связь, подтвержденная высокой корреляцией (r = = 0.93, р < 0.05) (рис. 3а), между ПО и ХПК в данном случае r = 0.88, р < 0.05 (рис. 3б).

Рис. 3.

Корреляционное поле зависимости Цв от ПО (а) и ХПК от ПО (б) в притоках оз. Плещеево.

Максимальные значения Hum, Цв, коэффициента Цв /С_орг отмечены в весенний период в водотоках: реках Куротени, Малая Слуда, ключах Гремяч, Безымянном, Веськовка, руч. Галев, а также в самом озере. К лету эти показатели снижаются (табл. 1). Для остальных притоков, протекающих по низменной, заболоченной местности, гидрохимические процессы, присущие периоду половодья, идут более продолжительное время, очевидно – в силу особенностей геологического строения их водосбора, поэтому в летнюю межень наблюдаются высокие значения Цв, Hum. К осени с переходом на преимущественно грунтовое питание и благодаря осаждению взвешенных веществ вместе с гумусовыми ОВ под воздействием ультрафиолета во всех водотоках наблюдается снижение показателей ОВ.

Из всех исследованных притоков по содержанию ОВ сильно выделяется р. Язевка. Антропогенное воздействие (торфоразработки, отвод вод) на бассейн реки привело к заболачиванию и сильному обмелению русла, местами – к его осушению, вода в бочагах стала застойная. Цвет воды изменился от желтоватого и бурого из-за выхода железистых вод до серого от торфянистой крошки. Здесь отмечены максимальные значения показателей ОВ в течение всего периода наблюдений: данные по Цв и ОВ во много раз превышают таковые по другим водотокам (табл. 1).

С целью оценки энергетических запасов исследованных водных объектов парка “Плещеево озеро” вычислена Q1. Наибольшие значения Q1 присущи весенне-летнему периоду. Минимальные значения физиологической калорийности отмечены весной в ключах Безымянном и Гремяч (табл. 1), максимальные – в летнюю межень в р. Язевке.

Большое количество ключей, питающих оз. Плещеево, обеспечивает в нем минимальные значения Цв воды, которые снижаются от весны к лету благодаря смене водного питания (сокращается доля поверхностно-склонового стока). Также в этот период в озере отмечено снижение всех характеристик ОВ (табл. 1).

На р. Таденке за период исследования показатели косвенных характеристик ОВ в зависимости от сезона и станции варьировали в достаточно широких пределах: Цв – 20–91 град., ПО – 2.5–23 мгО/дм³, ХПК – 7.0–89.2 мгО/дм³, Q1 – 23.7–302 кал/л (табл. 2). Минимальные значения характерны преимущественно для ст. 2с, а максимальные – для ст. 2в.

Наибольшие значения Hum, коэффициента ПО/ХПК на всех станциях присущи весеннему периоду 2009 г. (табл. 2). В летнюю межень, когда питание осуществляется преимущественно за счет грунтовых вод, для которых характерны трансформированные ОВ, содержание растворенного ОВ в воде снижается, что подтверждают низкие концентрации ПО. В этот период Hum составляет 9–23, за исключением ст. 2в, где Hum = 46. Очевидно, в пруду, образованном расположенной ниже плотиной, которая задерживает основную массу воды, трансформация весенних паводковых вод проходила более продолжительное время, чем на других участках реки. В итоге в середине лета 2009 г. на этой станции все еще наблюдались высокие значения всех показателей ОВ. Благодаря заболоченному истоку р. Таденки в верхнем течении реки на протяжении всего времени исследования в 2009 г. регистрировались повышенные значения Hum.

Максимальное содержание в воде биохимически нестойкого ОВ отмечено в период прогрева воды в июле 2009 г. на ст. 2а, 2в и в октябре 2009 г. в верхнем течении реки на ст. 1, 2а, а также в руч. Ниговец (ст. 4). Соотношение между легко утилизируемой микроорганизмами фракцией общего ОВ и стабильной его частью БПК₅/ХПК дает представление о лабильной фракции. В р. Таденке она составляет 2–16% общего содержания ОВ, здесь максимум отмечен в осеннюю межень 2009 г. на ст. 4 (табл. 2). Также по величине соотношения БПК₅/ХПК можно судить о преобладании в воде стойких к окислению ОВ: при БПК₅/ ХПК < 1 в воде преобладает трудноразлагаемое ОВ. Расчеты показали, что в воде р. Таденки и ее притока руч. Ниговец во все сезоны исследования преобладало стойкое к окислению ОВ. При этом минимальные значения БПК₅/ХПК (<0.03) относятся к весеннему периоду 2009 г., а максимальные (<0.23) характерны для руч. Ниговец осенью 2009 г. Активно проходящие деструкционные процессы с выделением энергии на первой стадии бактериального разложения обусловили высокий энергетический запас ОВ в летний период на ст. 2а и 2в. Здесь отмечены максимальные значения Q1 – 287 и 302 кал/л соответственно.

Летом 2010 г. в связи с пожароопасной обстановкой на территории заповедника были запрещены все работы, поэтому исследования не проводились. Отбор проб смогли осуществить лишь в октябре. После сильной летней засухи проточный участок верховья (ст. 1) практически пересох, а участки среднего течения реки оказались зарегулированными бобрами и полноводными. Питание водотока осуществлялось исключительно за счет грунтовых вод. В результате даже в заболоченном верховье реки значения всех показателей ОВ были гораздо ниже таковых в аналогичный период 2009 г. (табл. 2).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Формирование ОВ в оз. Плещеево происходит в основном под влиянием поверхностного стока, составляющего >60% водного баланса, а также биологической продуктивности водоема, ОВ, вносимых притоками. Озеро питает большое количество подземных источников, для которых характерно меньшее содержание растворенных ОВ по сравнению с поверхностно-склоновыми водами. Сезонные колебания содержания ОВ в устьевых областях притоков озера в комплексе с интенсивностью биохимических процессов превращения веществ сказываются на содержании ОВ в зоне смешения речных и озерных вод. Зимой ОВ, вносимые рекой, могут распространяться до 1.5 км от устья; в период открытой воды в результате ветрового перемешивания вод уже в прибрежном мелководье формируется водная масса с качественными характеристиками вод озера [16]. В летне-осенний период интенсификация микробиологических процессов способствует самоочищению рек, этим предотвращая поступление излишнего количества ОВ в озеро.

Большинство притоков оз. Плещеево берет свое начало в болотных массивах, что обусловливает высокие значения показателей ОВ в воде. В весенний период поверхностно-склоновые воды, обогащенные гуминовыми ОВ, играют определяющую роль в формировании химического состава речной воды. В это время речные воды отличаются относительно высоким содержанием растворенного ОВ (водного Hum), высокими значениями Цв, обусловленной наличием ОВ преимущественно растительного происхождения (гуминовые, фульвокислоты). Для ОВ природных вод характерна высокая вариабельность косвенных показателей. Для комплексных экологических исследований водоемов важна оценка энергетических запасов ОВ. Э.С. Бикбулатовым в [1] разработана оригинальная методология определения трех видов калорийности (энергетического запаса) природных ОВ: физиологическая, физическая и полная. Имеющиеся данные позволяют вычислить Q1 – энергию, выделяющуюся на первой стадии бактериального разложения ОВ с образованием СО₂, Н₂О, NH₃.

Особенность малых рек – смешение вод различного происхождения в очень короткие сроки межсезонья. Почвенно-грунтовые воды, сформированные в верхних слоях почвогрунтов, содержат недостаточное количество карбонатов кальция и магния для полной нейтрализации гумусовых кислот с образованием соответствующих солей. Поэтому даже после половодья окрашенные воды заполняют водосборы рек довольно продолжительный период времени. Почвенно-грунтовые воды имеют промежуточный характер между поверхностно-склоновыми и грунтовыми, они заканчивают формирование химического состава в слоях между почвой и водоносными породами, дренирующими грунтовые воды. К началу летней межени гидрохимические процессы, характерные для половодья, заканчиваются, происходит снижение концентрации ОВ в воде. Это наблюдается в притоках оз. Плещеево, долины которых лежат в моренных глинах и песках северных склонов Клинско-Дмитровской гряды (ключи Гремяч и Безымянный, реки Куротень, Веськовка, Малая Слуда, руч. Галев).

Грунтовые воды по сравнению с поверхностно-склоновыми имеют меньшее количество растворенных ОВ, их химический состав обусловлен трансформацией ОВ в процессе фильтрации воды в толще почвогрунтов. Поэтому к осени во всех исследованных притоках оз. Плещеево показатели ОВ снижаются.

Первые гидрохимические исследования на р. Таденке относятся к 1969–1970 гг. Выявлена новая закономерность формирования кислого и слабокислого геохимического ландшафта с сульфатно-кальциевым классом водной миграции [17]. Определение содержания ОВ в реке не проводилось.

Процессы на водосборах малых рек очень быстро отражаются на их гидрохимических характеристиках. Изменение гидрологического режима и любое загрязнение немедленно сказываются на формировании ОВ в реке. Источник поступления лабильного ОВ (ЛОВ) в р. Таденку, помимо продуктов жизнедеятельности гидробионтов, отмерших организмов и промежуточных продуктов их разложения, – зоогенный фактор. Установлено [5, 9, 15], что продукты жизнедеятельности бобров не загрязняют водоем, а поступающие ОВ находятся в хорошо усваиваемой для зоопланктона форме, создавая благоприятные условия для развития планктонных животных. Бобровые пруды служат местом развития несвойственных водотокам видов беспозвоночных, которые, перемещаясь вниз по течению, при благоприятных условиях могут играть определенную роль в формировании структуры и в функционировании сообществ гидробионтов [12].

Аномальная жара на Европейской части России в 2010 г., вызванная “блокирующим” антициклоном [22], повлекла за собой как значительный экономический ущерб, так и экологические проблемы – возросли темпы эвтрофирования пресноводных водоемов [21]. Установлено, что повышение температуры воздуха и воды приводит к трансформации внутриводоемных процессов и биотической структуры водных экосистем, а также способствует увеличению потребления кислорода, что повышает риск снижения его содержания в воде [19, 20]. Так, в Белгородской области аномальная жара в летний период 2010 г. значительно отразилась на уровне и расходе воды малых рек – они были ниже нормы. В этот период на реках наблюдалось бурное развитие водной растительности, что вызвало снижение скорости течения [4]. В устьевой области малой реки – притока Рыбинского водохранилища летом 2010 г. значения БПК₅ были более чем в два раза выше, чем по данным за такой же период 2009 г. [2]. Аномальная жара наряду с острым дефицитом атмосферных осадков в вегетационный период 2010 г. существенно отразилась на гидрохимическом режиме р. Таденки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В притоках оз. Плещеево и в р. Таденке отчетливо прослеживается сезонная динамика содержания ОВ, зависимость его от характера питания водотоков. Различие состава растворенных веществ в притоках оз. Плещеево обусловлено неоднородностью рельефа и геологического строения водосбора озера. В водотоках, протекающих по заболоченной местности, гидрохимические процессы, присущие периоду половодья, протекают более продолжительное время, что отражается на повышенных значениях показателей ОВ не только весной, но и в середине лета. Антропогенное воздействие в бассейне реки может значительно повлиять на ее гидрохимический режим, как в случае с р. Язевкой – после торфоразработки и отвода вод русло сильно обмелело, косвенные показатели ОВ получили запредельные значения.

В естественные процессы формирования ОВ в воде р. Таденки коррективы вносит зоогенный фактор. Так, в пруду, образованном расположенной ниже бобровой плотиной, задерживающей большую массу воды, трансформация весенних паводковых вод проходила более продолжительное время, чем на других участках реки. В результате на этой станции наблюдались высокие значения всех показателей ОВ как весной, так и летом 2009 г. Зоогенный фактор также влияет на поступление в реку ЛОВ, находящегося в хорошо усваиваемой для зоопланктона форме. В период исследования в воде р. Таденки и ее притока руч. Ниговец преобладало стойкое к окислению ОВ.

Полученные данные могут быть полезны при комплексном экологическом мониторинге малых рек, а также для дальнейшего изучения антропогенного и зоогенного воздействия на малые водосборы гумидной зоны в меняющихся условиях среды.