Водные ресурсы, 2023, T. 50, № 1, стр. 81-89

ВВЕДЕНИЕ

Гидроэкологичекие характеристики в водоемах тесно связаны между собой, а сама экосистема водохранилища реагирует на внешние воздействия, к которым относятся синоптические изменения и регулирование проточности и уровенного режима. Связь изменений гидроэкологических харатеристик с изменениями внешних условий достаточно хорошо изучена, даже приводятся прогнозы вероятных изменений с учетом возможных климатических перемен на основе данных моделирования [5]. В то же время водохранилища также могут оказывать влияние на климат (как в небольшом пространственном масштабе на прилегающей территории, так и глобально за счет эмиссии метана в атмосферу). Метан – парниковый газ, изучению которого в последнее время уделяется большое внимание. Один из антропогенных источников метана – водохранилища (метан образуется при разложении аллохтонной и автохтонной органики и выделяется в атмосферу диффузионным и пузырьковым переносом). Водохранилища РФ еще относительно мало изучены по этой проблеме. Иваньковское водохранилище – часть крупнейшего каскада водохранилищ РФ, поэтому исследования межгодовой эмиссии метана представляются весьма актуальными. Известно, что гидроэкологический режим даже проточных водоемов находится в зависимости от погодных условий и динамики уровня воды, которые оказывают влияние на особенности стратификации, температурного и кислородного режима, первичную продукцию и обменные процессы с донными отложениями. Данное исследование дополняет этот список изучением такого актуального компонента, как метан.

Содержание органического вещества (ОВ) – источника метана в водоемах (в водной массе и в донных отложениях (ДО)) – определяется продукционно-деструкционными процессами, притоком с водосбора, активностью трансформации в водоеме и выносом со стоком. Накопление ОВ в ДО происходит в результате осаждения содержащейся в водной толще органики. Интенсивность потока ОВ ко дну и его преобразование во многом зависят от гидрологической структуры всей водной толщи, от ее устойчивости к перемешиванию, от толщины и длительности существования гиполимниона [9]. При наличии плотностной стратификации в водоеме в гиполимнионе могут формироваться бескислородные условия, приводящие к анаэробным процессам в ДО и к активизации обмена биогенными элементами с водной массой [11], которые могут усиливать продукционную активность в придонных слоях воды.

Между ДО и придонными слоями воды постоянно протекают процессы массо- и газообмена. Эти процессы могут происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от гидрологической и синоптической ситуации. Без учета бактериальной деструкции ОВ в ДО, а также миграции метана, который служит важной составляющей частью деструкционных процессов, невозможно понимание общих закономерностей функционирования водной экосистемы в целом. При минерализации ОВ в ДО высвобождаются фосфаты, которые поступают в поровый раствор [11]. Выход фосфора из ДО приводит ко вторичному загрязнению водной толщи биогенными веществами. Присутствие в ДО роющего макробентоса влияет на интенсивность массообмена, поскольку эти животные в процессе своей жизнедеятельности не только питаются ОВ, содержащимся в ДО, но и, создавая сеть каналов, могут увеличивать площадь поверхности ДО в 1.5 раза (при плотности 600 особей на 1 м²), чем способствуют проникновению О₂ в ДО, что активизирует процесс потребления О₂ в них [1].

Цель работы – показать различия гидроэкологической структуры водохранилища в одинаковую фазу режима при разных внешних условиях и оценить их количественно.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Иваньковское водохранилище – первое в Волжском каскаде, создано в 1937 г. Это самое мелководное из крупных водохранилищ России – акватория глубиной <2 м составляет около половины всей водной поверхности водоема при наполнении до нормального подпорного уровня (НПУ) 124 м. Водохранилище имеет среднегодовой коэффициент водообмена (Кв) 10.3 год^–1 [7]. Подача воды в канал им. Москвы в среднем за год составляет 1.5 км³. Водные массы водохранилища также используются для охлаждения систем Конаковской ГРЭС, что сказывается на тепловом режиме водоема ниже по течению. Также водоем используется для судоходства, добычи строительного материала, в рекреационных целях.

Иваньковское водохранилище относится к водохранилищам долинного типа и имеет довольно сложную конфигурацию. В водохранилище выделены четыре плеса, морфологические особенности которых обусловливают их эколого-биологические различия [13]. Верхневолжский плес – от г. Твери до устья Шошинского плеса – представляет собой узкий и проточный участок, Средневолжский плес простирается от места слияния Шошинского и Верхневолжского плесов до широкого разлива в районе устья р. Сози, Нижневолжский плес – от устья р. Сози до плотины, Шошинский плес представляет собой затопленную долину р. Шоши и является обособленной частью водоема. Большинство авторов выделяют только три плеса: Волжский (Верхневолский и Средневолжский), Иваньковский (Нижневолжский) и Шошинский.

ДО в Иваньковском водохранилище представлены грунтами первичными трансформированными (почвы обнаженные, разбухшие, заболоченные) и вторичными (песок (13% дна водохранилища), песок илистый (26), ил песчанистый (46), ил торфянистый и отложения из макрофитов (14%)). Содержание ОВ в песках составляет 1.4–2.8, в песках илистых – 3.5–9.8, в илах песчанистых серых – 10.2–20, а в илах торфянистых и в отложениях из макрофитов – 42–62% [7].

По характеру залегания и закономерностям распределения ДО выделяются три разнотипных участка: Волжский, Иваньковский и Шошинский плесы, которые различаются морфометрическими характеристиками, режимами скорости течения, волнения [7]. Илистые грунты занимают большие площади в Иваньковском и Шошинском плесах. В Волжском плесе (особенно в его верхней части) большая часть площади занята песчаными грунтами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Квазисинхронные гидролого-гидрохимические съемки водохранилища были проведены 5–6 августа 2020 г. и 4–5 августа 2021 г. Отбор проб и измерения проводились на станциях: с. Городня (Верхневолжский плес), комплекс отдыха “Дипкорпус” (Шошинский плес), г. Конаково (Средневолжский плес), створ Корчева и Приплотинный участок в районе г. Дубны (Нижневолжский, или Иваньковский, плес) (рис. 1). В ходе съемок выполнялись измерения вертикального распределения температуры воды, О₂, электропроводности (кондуктометр “МАРК-601” и оксиметр “YSI ProODO”), измерялась прозрачность воды по диску Секки. Проводился отбор проб воды на химический анализ в каждом створе в придонном и поверхностном горизонтах на русле и у каждого берега.

Рис. 1.

Картосхема станций отбора проб на Иваньковском водохранилище.

Содержание метана в отобранных пробах определялось на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором “Хроматэк-Кристалл 5000.2.” Расчет концентрации метана в пробах воды проводился методом “headspacе”. На станциях проводилось измерение удельного потока метана в атмосферу методом плавучих камер [14]. По ходу движения судна отбирались пробы воды для определения интенсивности продукционно-деструкционных процессов скляночным методом в кислородной модификации. Светлая и темная склянки экспонировались на борту судна в течение 3–4 ч, величины валовой продукции и деструкции определялись в пересчете на 1 ч.

Работы включали в себя эксперименты по определению потоков веществ на границе вода−ДО методом трубок. Дночерпателем Экмана отбирался ненарушенный верхний слой грунта для определения в нем содержания ОВ и гигроскопической влажности, из него же стеклянными трубками вырезались колонки илов для постановки экспериментов по оценке выхода СН₄, Р и ${\text{НСО}}_{3}^{ - }$. Одновременно придонной водой заливалась аналогичная трубка, но без грунта (холостая), и эта пара трубок ставилась на 24 ч на экспозицию. По разнице концентраций веществ в грунтовой и холостой трубках определялся выход веществ из ДО, а также определялись скорость потребления О₂ и деструкция ОВ. Кроме того, отбирались пробы придонной воды для определения деструкции ОВ [2]. Определение ${\text{НСО}}_{3}^{ - }$ в трубках проводилось по стандартной гидрохимической методике [4]. Содержание ОВ в грунте оценивалось по потерям веса при прокаливании.

Во время съемки проведен отбор проб фитоплактона и зообентоса глубоководных участков на станциях Городня, “Дипкорпус” (Шошенский плес), Плоски, Конаково, Корчева и Дубна. Сбор материала и его камеральная обработка осуществлялась по методике [12].

Отбор проб фитопланктона проводился опрокидывающимся батометром из поверхностного (0−1 м) и придонного слоев воды, объем проб составлял 0.5 дм³. Фиксация водорослей осуществлялась модифицированным раствором Люголя, составной частью которого был формалин. Пробы фитопланктона концентрировались до 5 мл посредством вакуумной фильтрации через фильтры “Владипор” с диаметром пор 1 мкм. Учет численности клеток проводился на световом микроскопе в камере Учинская-2 объемом 0.01 мл при увеличении 400 крат, оценка биомассы – счетно-объемным методом [10].

Бентос отбирался дночерпателем Петерсена с площадью захвата ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {40}}} \right. \kern-0em} {40}}$ м² по 2 выемки грунта на каждой станции с дальнейшим промыванием через газ-сито № 23. Все пробы фиксировались в 4%-м формалине. В лабораторных условиях организмы отделяли от грунта, просчитывали и взвешивали на торсионных весах с точностью до 0.001 г раздельно по основным группам.

Отбор проб ДО (для оценки содержания ОВ и гигроскопической влажности) и колонок грунта для постановки экспериментов по оценке деструкции ОВ в илах (по потреблению О₂ и выделению ${\text{НСО}}_{3}^{ - }$), выходa метана и минерального фосфора проводили днрочерпателем Экмана−Берджа на станциях Плотина, Корчева (Иваньковский плес), Конаково, Городня (Волжский плес) и на входе в Шошинский плес (ст. “Дипкорпус”).

Химический анализ отобранных проб воды проводился в аккредитованной химической лаборатории Иваньковской НИС Института водных проблем РАН по аттестованным методикам. В пробах воды определялись следующие показатели и ингредиенты: рН, мутность, главные ионы, биогенные элементы, показатели ОВ (цветность, перманганатная окисляемость, химическое потребление О₂, БПК₅), нефтепродукты, СПАВ, тяжелые металлы (медь, цинк, хром, свинец, марганец).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

К первой декаде августа 2020 г. Иваньковское водохранилище оказалось достаточно хорошо перемешано (рис. 2). Четко выраженного слоя температурного скачка не наблюдалось, в водоеме отсутствовала бескислородная зона даже на станциях, близких к плотине. В продольном распределении температуры хорошо заметно ее повышение в поверхностных горизонтах в районе ст. Корчева вследствие работы Конаковской ГРЭС, сбрасывающей подогретую воду в Мошковский залив, расположенный выше по течению. След теплового загрязнения прослеживается и у плотины. Наибольшая разница поверхностной и придонной температуры воды характерна для ст. Корчева (5°С). В 2021 г. температура воды была существенно выше, что обусловлено погодными условиями (жаркая погода в июле) (рис. 3) и меньшей проточностью. По данным м/с Тверь [16], максимальные, минимальные и средние значения температуры воздуха в 2020 и 2021 гг. оставили 29.3, 33.3, 7.3, 9.9, 17.6 и 20.9°С соответственно, ветровая обстановка значительно не различалась. Поскольку открытых данных по водному балансу Иваньковского водохранилища нет, ориентироваться можно на данные ПАО “Русгидро” [8] по притоку из Иваньковского в Угличское водохранилище, для которого только 27% площади водосбора приходится на собственную боковую приточность: в 2020 г. в июле приток воды менялся в пределах 60−1770, а в 2021 г. – 10−80 м³/с.

Рис. 2.

Изменение температуры воды и растворенного кислорода по глубине на станциях измерений 5–6 августа 2020 г. и 4–5 августа 2021 г.

Рис. 3.

Температура воздуха по данным м/с Тверь в летний период 2020 и 2021 гг.

Принципиальные различия вертикального распределения О₂ состоят в его уменьшении ко дну на станциях Городня, “Дипкорпус” и Дубна в 2021 г., в большей аэрации придонных горизонтов в Конаково и в меньшем содержании в верхней части водной толщи на станциях Корчева и Дубна (рис. 2). По сравнению с 2020 г. существенно большая валовая продукция в 2021 г. отмечена в Шошинском плесе и на ст. Дубна (0.63 и 0.48 мгО₂/л ч против 0.19 и 0.2 мгО₂/л ч). Для станций Городня и Корчева валовая продукция по съемкам идентична (0.19 и 0.17 мгО₂/л ч, 0.48 и 0.42 мгО₂/л ч соответственно) (табл. 1). В августе 2021 г. общая численность фитопланктона менялась по станциям исследования от 8.777 до 52.238 млн кл/л, а биомасса составляла 0.969–17.468 мг/л, что существенно выше аналогичных данных в августе 2020 г.: тогда общая численность клеток микроводорослей была <17.773 млн кл/л, а биомасса – 0.913–9.281 мг/л.

Сумма главных ионов в августе 2021 г. (207–270 мг/л) превышала величины в августе 2020 г. (198–231 мг/л). Величины pH 8.1–8.6 в августе 2021 г. несколько превышали таковые в 2020 г. – 7.5–8.1, что, очевидно, связано с более интенсивным развитием фитопланктона летом 2021 г. Концентрации железа общего в первую съемку менялись от 0.1 до 0.42, а во вторую – от 0.02 до 0.09 мг/л. Концентрации марганца в обе съемки были примерно одинаковыми и, в основном, менялись соответственно в диапазонах 0.01–0.07 и 0.02–0.10 мг/л. Наиболее высокая концентрация марганца была отмечена в первую съемку у Конаково в придонном горизонте и составила 0.23 мг/л. Концентрации минерального фосфора менялись примерно в одном диапазоне в обе съемки, соответственно 0.011–0.057 и 0.007–0.10 мг/л. Концентрации иона аммония в августе 2020 г. менялись от 0.1 до 0.76 мг/л, а в августе 2021 г. от 0.06 до 2.46 мг/л. Наибольшие концентрации (1.2 мг/л) нитратного иона в августе 2020 г. отмечены во входном створе (ст. Городня), а в августе 2021 г., наоборот, в замыкающем створе (ст. Дубна). В августе 2021 г. отмечены более низкие значения цветности и перманганатной окисляемости. А самые высокие значения химического потребления О₂ (ХПК) (до 40.4 мгО/л в створе Корчева на русле у поверхности) и биохимического потребления О₂ (БПК₅) (до 5.4 мгО/л в створе Конаково у поверхности) зафиксированы в августе 2021 г.

Данные по содержанию метана и характерные величины эмиссии приведены в табл. 2. Для обеих съемок на всех станциях, кроме Городни, находящейся в проточном Верхневолжском плесе, содержание метана у дна выше, чем у поверхности, однако в 2021 г. его концентрации значительно выше, особенно в приплотинной части.

Это могло быть связано с активным цветением водоема в середине лета (рис. 3), чему могла способствовать жаркая, преимущественно штилевая погода. Наибольшее содержание метана отмечено на приплотинном участке; тем не менее его содержание на порядок меньше, чем, к примеру, для слабопроточного Можайского водохранилища, где к концу лета у дна оно может достигать 2000–3000 мкл/л [6].

В более жарком 2021 г. с меньшей проточностью величины потока метана оказались выше, чем в 2020 г. Наибольшая величина потока для Шошинского плеса может быть связана с его относительной мелководностью [15] и наибольшей продуктивностью. Относительно небольшой поток в районе Конаково и у плотины (ст. Дубна) может быть связан с большим содержанием О₂ в придонных горизонтах, чем, например, на ст. Корчева (рис. 1). Особенности содержания и эмиссии метана тесно связаны с комплексом гидроэкологических характеристик. Так, жаркая погода в июле 2021 г. привела к более значительному повышению температуры в придонных горизонтах и к снижению содержания О₂ у поверхности ДО. Возможно, в июле 2021 г. содержание О₂ у дна было еще меньше, чем в августе, что повлияло на численность бентоса и его роющую активность. Из-за условий, близких к бескислородным, в 2021 г. численность зообентоса в приплотинном районе существенно ниже, чем в 2020 г. (табл. 2). Роющая активность бентоса может способствовать аэрации верхних слоев ДО, окислению метана и сокращению его потока в придонный слой воды, что и было зафиксировано на станциях Корчева и Дубна в 2020 г.

По сравнению с другими водохранилищами в схожих ландшафтно-климатических условиях удельный поток с поверхности Иваньковского водохранилища имеет тот же порядок. Так, в августе 2019 г. на Озернинском водохранилище наибольший измеренный авторами поток составил 301 мгС/м² сут, в августе 2019–2020 гг. на Можайском водохранилище – 400 и 244 мгС/м² сут соответственно.

В табл. 1 приведены характеристики придонного слоя воды, верхнего слоя ДО и интенсивность обменных процессов на границе вода–ДО на исследуемых станциях Иваньковского водохранилища в 2020–2021 гг. Можно отметить, что в 2021 г. наблюдался более существенный прогрев придонных слоев воды относительно 2020 г. (температура придонной воды на всех станциях была выше на 2–3°С). Содержание О₂ у дна на всех станциях в 2020 г. было >1 мг/л, а на станциях “Дипкорпус” и Дубна достигало 5 мг/л. В 2021 г. содержание О₂ в придонных слоях, в целом, было ниже, однако бескислородные условия наблюдались только в приплотинном плесе.

В 2021 г. в средней части Иваньковского водохранилища (ст. Корчева) наблюдалось активное цветение водорослей. В результате в придонном слое на этой станции было отмечено максимальное за все время наблюдений потребление О₂ в придонных слоях воды (ППВ) — 1251 мг/м² сут при средних значениях этого показателя по всему водоему 270 мг/м² сут.

Влажность грунта и содержание в нем ОВ и в 2020, и в 2021 гг. примерно одинаковые. Минимальные значения наблюдались на ст. “Дипкорпус”, максимальные – в приплотинном плесе, в районе Дубны. На ст. Дубна в 2021 г. и гигроскопическая влажность грунта, и содержание в нем ОВ оказались несколько выше (влажность на 1.3%, содержание ОВ на 2.7%).

Общая деструкция (Д_общ) ОВ в грунтах в 2021 г. оказалась значительно выше практически на всех станциях (за исключением ст. Конаково). В верховьях в 2021 г. Д_общ превышала таковую за 2020 г. почти в 1.5 раза, а в приплотинном плесе она увеличилaсь почти в 6.3 раза. При этом вклад аэробной деструкции в общую невелик. В 2020 г. в среднем по водохранилищу аэробная деструкция составляла 8% общей, а в 2021 г. – 11%.

Выход метана из ДО в 2020 г. на всех исследуемых станциях <0.57 мгС/м² сут, а в среднем по водохранилищу – 0.17 мгС/м² сут. В 2021 г. в приплотинном районе Иваньковского водохранилища при наличии бескислородных условий у дна выход метана из ДО достигал 39.9 мгС/м² сут. При этом на других станциях средняя величина потока метана из ДО составляла только 3.5 мгС/м² сут.

Максимальные значения выхода фосфора (Р) из ДО в 2020 г. наблюдались в верхнем районе (устье Шоши) и достигали 60 мгР/м² сут. В среднем и нижнем районах величины выхода Р из ДО варьировали от 12 до 30 мгС/м² сут. Существенно отличная ситуация наблюдалась в 2021 г.: минимальные значения потока (8.4 мгС/м² сут) получены в верхнем районе; максимальные (107 мгС/м² сут) – в приплотинном плесе. Такой высокой интенсивности выхода Р из ДО также способствовали бескислородные условия в районе Дубны.

Анализ изменения интенсивности анаэробной деструкции ОВ в ДО в зависимости от содержания ОВ в грунте показал, что увеличение содержания ОВ в ДО полимиктического Иваньковского водохранилища приводит к интенсификации анаэробной деструкции, кроме станций, где наблюдалась высокая (>4000 экз/м²) численность роющего зообентоса (хирономид и олигохет). На этих станциях также отмечался значительный (>50%) вклад аэробной деструкции в суммарный выход C из ДО, тогда как на остальных станциях вклад аэробной деструкции (Д_аэр) в суммарную деструкцию ОВ ≤16%.

Поток Р из ДО формируется вследствие следующих процессов: деструкции фосфоросодержащей части ОВ на беспрерывно обновляющейся поверхности дна; поступления Р из более глубоких слоев ДО; десорбции Р из илов, происходящей преимущественно при аноксидных условиях; конвективного потока Р с выделяющимися из ДО пузырьками газа (в водоемах с активным газоотделением). Согласно исследованиям [3], наиболее значимые факторы, влияющие на интенсивность потока Р из ДО в воду, – десорбция фосфатов и деструкция ОВ.

Совместный анализ интенсивности Д_общ в ДО, выхода Р, содержания ОВ в ДО и численности роющего зообентоса на станциях Иваньковского водохранилища показал, что при численности бентоса <1300 экз/м² даже при высокой интенсивности деструкции ОВ в ДО выход минерального Р в аэробных условиях <14 мг/м²сут. При высокой (>1300 экз/м²) численности роющего бентоса увеличение деструкции ОВ в илах сопровождается ростом потока минерального Р из ДО. Возможно, это связано с биотурбацией, способствующей в том числе выносу поровых вод ДО к границе раздела вода–ДО.

ВЫВОДЫ

Различия гидроэкологических показателей Иваньковского водохранилища в августе смежных лет (2020 и 2021 гг.) были обусловлены более жаркой погодой в июле 2021 г., которая привела к большему прогреву придонных горизонтов воды и снижению содержания в них О₂ по сравнению с 2020 г. Это выразилось в увеличении Д_общ и Д_аэр, потреблении О₂ грунтами на дне и увеличении потока метана и Р из ДО в придонный слой воды при снижении количества роющего и аэрирующего грунты зообентоса. Различия гидрометеорологических условий в исследуемые годы привели также к изменению химических и гидробиологических (фитопланктон) показателей воды.

Содержание ОВ в верхнем слое грунта в 2021 г. было несколько выше, чем в 2020 г., из-за более активного продуцирования ОВ в трофогенной зоне. Но из-за условий, близких к бескислородным, в 2021 г. численность зообентоса, его роющая активность в приплотинном районе существенно ниже, что выразилось в менее активном окислении метана в грунтах и в увеличении его потока в придонный слой воды на станциях Корчева и Дубна. Величины удельного потока метана в атмосферу могут существенно различаться из-за разницы погодных условий и проточности в конкретном сезоне, определяющих формирование гидроэкологической структуры и продуктивность водоема. В 2020 г. общий поток метана с поверхности водоема менялся от 2.9 до 63.4 мгС/м² сут при убывании его величин от верховьев к плотине, а в 2021 г. он составлял от 10.5 до 334 мгС/м² сут с максимумами на станциях Корчева и в Шошинском плесе.