Водные ресурсы, 2023, T. 50, № 1, стр. 103-112

ВВЕДЕНИЕ

Гиперсоленые водоемы характеризуются сезонными циклическими флуктуациями физико-химических параметров, среди которых наиболее значимые – температура, соленость, содержание растворенного кислорода и биогенов [27, 30, 34, 40]. Их постоянные колебания под действием специфических гидрометеорологических, гидрогеологических и гидрохимических факторов создают в таких водоемах особые условия для развития и функционирования биоты. При этом взаимодействие абиотических и биотических факторов в этих экосистемах приводит к формированию в них уникальных донных отложений – природных лечебных ресурсов. Их биоразнообразие крайне ограниченно организмами, приспособленными к существованию в экстремальных условиях, к которым относятся прежде всего артемия и ряд галофильных бактерий, жизненный цикл которых также зависит от сезонных изменений [15, 18, 19, 24, 37].

Сакское озеро – одно из наиболее крупных приморских соленых озер Крыма (рис. 1). Климатические и биологические условия сформировали в нем специфическую экосистему, характеризующуюся переменной соленостью в различные сезоны года, наличием лечебных грунтов и рапы, которые интенсивно применяются в бальнеологии, косметологии и фармацевтике. В озере обитает популяция артемии, состав и численность которой также подвержены межгодовым и сезонным флуктуациям. Минеральные ресурсы озера в течение долгих лет используются в галургической промышленности и в бальнеологи [2, 5, 13]. С учетом народно-хозяйственного значения гидроминеральных ресурсов оз. Сакского представляются важными и актуальными исследования их сезонной динамики, а также факторов, влияющих на физико-химические характеристики рапы и илов.

Рис. 1.

Схема расположения контрольной точки отбора проб в Восточном бассейне оз. Сакского.

В настоящее время оз. Сакское разделено на семь изолированных друг от друга бассейнов, два из которых используются в лечебных целях, остальные выполняют защитную функцию, препятствуют загрязнению паводковыми и сточными водами. Для охраны и рационального использования ресурсов озера в условиях интенсивного антропогенного воздействия создана сложная гидротехническая система (ГТС) его защиты, состоящая из разделительных дамб, обводных каналов, насосных станций и вододелителей. С помощью этих конструкций от лечебных бассейнов отводятся пресные воды из защитных водоемов и c расположенных поблизости подтопляемых территорий. Для поддержания необходимой минерализации рапы в жаркое время года посредством ГТС из Каламитского залива Черного моря подается морская вода, ее гидрохимические параметры имеют сходство с таковыми рапы лечебных водоемов. Таким образом, искусственно регулируется водно-солевой баланс, что в свою очередь обеспечивает поддержание физико-химических параметров гидроминеральных ресурсов в установленных пределах, а также создает благоприятные условия для развития гидробионтов, что имеет особо важное значение в летне-осенний период при повышении температуры воздуха и воды и интенсивном испарении [1, 11, 12]. Важнейшую функцию выполняет Восточный бассейн оз. Сакского – участок промышленной добычи природных гидроминеральных ресурсов – лечебных грязей и рапы. В связи с интенсивной эксплуатацией данного водного объекта, усилением антропогенной нагрузки на прилегающие к нему территории и реконструкцией набережной и коммуникационных сетей города возникает необходимость активного сезонного мониторинга гидроминеральных и биологических ресурсов Восточного бассейна с целью их сохранения и оптимального использования в дальнейшем.

Цель настоящей работы – изучение сезонной динамики физико-химических параметров рапы Восточного бассейна оз. Сакского в период интенсивной застройки его берегов летом 2019 г., а также структуры и численности обитающей в нем популяции артемии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследований позволили установить характерную сезонную динамику метеорологических и гидрохимических параметров для Восточного бассейна оз. Сакского.

В 2019 г. температура воздуха существенно возрастала в период с конца марта по апрель и достигала максимальных величин в июне–июле. Такая же динамика отмечена и для температуры рапы (рис. 2). В осенний период температура снижалась вплоть до отрицательных значений. Между температурой воды и температурой воздуха установлена высокая корреляция (r = 0.77).

Рис. 2.

Сезонные колебания температуры воздуха и рапы в Восточном бассейне оз. Сакского 2019 г.

Минерализация рапы и ее удельный вес также возрастали в летний сезон и достигали наивысших значений в июне и июле, после чего снижались (рис. 3). Однако значимой корреляционной связи между температурой воды и данными показателями не установлено.

Рис. 3.

Сезонные колебания минерализации рапы и ее удельного веса в Восточном бассейне оз. Сакского в 2019 г.

Значения рН рапы слабо варьировали – в пределах 7.6–7.9, но в августе отмечено некоторое снижение этого показателя до 7.2 (рис. 4). Eh менялся в диапазоне от – 41.7 до –33.1 мВ, при этом минимальное значение было зафиксировано в мае (рис. 5). Содержание кислорода последовательно снижалось, самые низкие показатели были установлены в июне (3.55 мг/л), самые высокие – в январе (13.06 мг/л) (рис. 6). Не выявлено взаимосвязи между температурой рапы, рН и Eh, но обнаружена средняя корреляция с содержанием кислорода (r = 0.36). Слабая корреляция отмечена между минерализацией рапы, Eh и содержанием кислорода (r = 0.21 и r = 0.18 соответственно).

Рис. 4.

Сезонные колебания рН рапы в Восточном бассейне оз. Сакского в 2019 г.

Рис. 5.

Сезонные колебания Eh рапы в Восточном бассейне оз. Сакского 2019 г.

Рис. 6.

Сезонные колебания содержания кислорода в рапе Восточного бассейна оз. Сакского в 2019 г.

Содержание растворенных катионов и анионов в рапе Восточного бассейна оз. Сакского также менялось в зависимости от сезона. Как можно видеть по данным в табл. 1, 2, суммарное содержание катионов натрия и калия колебалось в пределах 41.07–61.27 г/дм³, максимальные значения отмечены в июле, минимальные – в октябре. Концентрация магния менялась от 5.94 до 8.52 г/дм³ от октября до июля. Содержание кальция возрастало к июню до 0.98 г/дм³, после чего снижалось до 0.57 г/дм³ в октябре и вновь увеличилось к концу года, оставаясь в пределах 0.76–0.84 г/дм³ в ноябре–марте. Таким образом, общая сумма исследуемых катионов возрастала в летний период, достигая максимальных величин в июле, после чего снижалась до минимальных величин в октябре и вновь несколько увеличивалась в зимне-весенний период. Самая высокая корреляция (r = 0.99) установлена между минерализацией и суммарным содержанием ионов калия и натрия. Связь между минерализацией и концентрацией катионов магния также значительна (r = 0.95), но с содержанием катионов кальция она в 2 раза слабее (r = 0.46). Низкие корреляции отмечены между рН и содержанием исследуемых катионов (r – 0.21–0.25), тогда как с Eh связь не установлена.

Сезонная динамика содержания анионов в рапе Восточного бассейна оз. Сакского приведена в табл. 2. Концентрация хлоридов увеличивалась в весенне-летний период, достигая максимальных величин в июле ( 106.67 г/дм³ ), затем резко снижалась в октябре (73.48 г/дм³ ), далее возрастала в зимне-весенний период до 83.52–98.84 г/дм³. Такая же тенденция отмечена для сульфатов, концентрация которых варьировала от 10.84 г/дм³ в октябре до 19.12 г/дм³ в июне. Содержание карбонатов менялось в пределах 0.02–0.07 г/дм³, гидрокарбонатов – 0.15–0.26 г/дм³. Таким образом, максимальное суммарное содержание анионов отмечено в июле (125.92 г/дм³), а минимальное – в октябре (84.55 г/дм³). Между содержанием сульфатов и минерализацией рапы установлена высокая корреляция (r = 0.91), значительная корреляция отмечена между минерализацией и концентрацией анионов хлора (r = 0.57), умеренная – с концентрацией гидрокарбонатов (r = 0.32), тогда как связь с содержанием карбонатов отсутствует. Умеренная корреляция выявлена между рН и содержанием сульфатов (r = 0.33), слабая – с содержанием хлоридов, с содержанием остальных анионов связь не обнаружена.

Сезонные изменения гидрохимических параметров рапы происходят не только под воздействием специфических метеорологических и гидрогеологических условий, но и вследствие искусственного регулирования водно-солевого баланса, что установлено в Восточном бассейне оз. Сакского. На рис. 7, показывающем сезонные изменения содержания основных гипотетических солей – MgSO₄, MgCl₂ и NaCl, отчетливо прослеживается продолжающийся рост рассчитанных концентраций этих компонентов после начала закачки морской воды в акваторию озера, которая в 2019 г. была начата в июне и закончена в октябре. Увеличение концентрации NaCl продолжалось в июне, в июле наблюдалась стабилизация минерализации, а с августа произошло снижение концентрации. В то же время концентрация MgSO₄ и MgCl₂ продолжала увеличиваться до августа, падение этого показателя было отмечено с сентября по октябрь. Однако сезонные изменения коэффициента метаморфизации (К_м) не совпадали с установленными трендами содержания гипотетических солей в рапе в период подачи морской воды (рис. 8).

Рис. 7.

Сезонные изменения содержания гипотетических солей в рапе Восточного бассейна оз. Сакского в 2019 г.

Рис. 8.

Сезонные изменения коэффициента метаморфизации К_м в рапе Восточного бассейна оз. Сакского в 2019 г.

Таким образом, искусственная закачка 1 млн м³ морской воды с целью компенсации испарения (при среднем расчетном объеме Восточного бассейна 1.27 млн м³) оказала заметное влияние на гидрохимический состав рапы, которое проявилось не только в привнесении дополнительного объема солей в акваторию, но и в изменении их соотношения.

Сезонным изменениям также подвержена популяция артемии, обитающая в водоеме, что выразилось в колебаниях численности рачка и в соотношении его жизненных стадий (табл. 3; рис. 9). В течение года в водоеме присутствовали цисты рачка, причем число их варьировало, а локализация зависела от направления ветра. При этом часть цист концентрировалась по берегам озера. При повышении температуры воздуха и прогревании воды до 15–19°С в водоеме в массовом количестве появлялись личинки (науплии), вылупляющиеся из цист. Однако единичные экземпляры науплиев были отмечены и при более низкой температуре рапы ранней весной. В теплый период с мая по сентябрь выявлены взрослые особи, представленные в основном половозрелыми самками. В октябре–ноябре в рапе наряду с цистами обнаружено большое количество отмерших взрослых рачков, но встречались единичные личинки. В декабре при понижении температуры воздуха и воды в рапе присутствовали цисты рачка, которые также в значительных количествах концентрировались по берегам.

Рис. 9.

Сезонные изменения соотношения различных жизненных стадий артемии в Восточном бассейне оз. Сакского в 2019 г.

На рис. 9 представлена динамика соотношения количеств цист, науплиев и взрослых особей артемии в разные сезоны в воде Восточного бассейна оз. Сакского. Как можно видеть, во все сезоны доминировали цисты, кроме апреля, когда число науплиев и цист было представлено в равных количествах. Взрослые раки, которые были обнаружены в период с мая по сентябрь, составляли меньшую часть популяции артемии, число науплиев занимало промежуточное положение. Обращает на себя внимание тот факт, что в июле и сентябре в рапе отсутствовали взрослые артемии или были найдены мертвые особи и их фрагменты, что может свидетельствовать о неблагоприятных условиях для их существования в водоеме в данный период.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Экологическое состояние озер зависит от многих факторов, включая межгодовые климатические флуктуации, сезонные изменения абиотических и биотических условий в озере и на прилегающей к нему территории, наличие грунтовых вод, расположение по отношению к уровню моря и степень близости к нему, атмосферные осадки, розы ветров, солнечное излучение и ионный состав воды [6, 22, 35, 38], а в настоящее время – также и антропогенная активность. Как показали исследования в последние годы, изменение климата с повышением температуры и сокращением количества атмосферных осадков существенно меняeт гидрологический режим внутренних водоемов, что приводит к снижению в них объема воды. Кроме того, этому же способствует хозяйственная деятельность человека, которая также значительно модифицирует сформированный в течение длительного времени гидрологический режим озер. Совокупность этих двух факторов приводит к необратимым последствиям для водоема, подчас критическим, заканчивающимся их деградацией или исчезновением [22].

Климатические и сезонные изменения на территории, связанные прежде всего с колебаниями температуры, оказывают наибольшее влияние на озерные экосистемы, так как регулируют водный баланс, определяемый соотношением процессов испарения и поступления воды с осадками и грунтовыми водами. В связи с этим некоторые исследователи считают, что озера и их водный баланс – адекватные индикаторы изменения климата [33].

Результаты проведенных исследований позволили установить характерные сезонные колебания физико-химических параметров рапы Восточного бассейна оз. Сакского и их зависимость от гидрометеорологических факторов, в частности от температуры воздуха и количества атмосферных осадков. В летний период были отмечены самые высокие значения температуры воздуха и температуры воды, в результате интенсивного испарения повысились минерализация и удельный вес рапы, а также входящих в ее состав основных катионов и анионов, максимальная концентрация которых была установлена в июле и в августе. Вместе с тем между показателями – минерализацией рапы, ее удельным весом, pH и Eh – не обнаружены значимые корреляции с изменением температуры, тогда как с показателями содержания кислорода обнаружена умеренная связь (r = 0.36). Следует отметить, что гидрохимические показатели и содержание исследуемых катионов и анионов в рапе Восточного бассейна оз. Сакского соизмеримы с таковыми в воде других соленых озер Причерноморья [23].

Учитывая тот факт, что гиперсоленые водоемы обладают важнейшими ресурсами и приобретают все большую популярность для целей рекреации и туризма, исследования сезонной динамики их водно-солевого баланса имеют значение для их сохранения и рационального использования [5, 13, 14, 17]. В связи с этим совершенно очевидно, что для поддержания надлежащего состояния лечебных илов и жизнедеятельности биоты в лет-ний сезон, характеризующийся экстремальными температурой и испарением, необходимо поддерживать определенный уровень минерализации, что достигается искусственным регулированием водно-солевого баланса водоема посредством ГТС.

Как показано выше, в наиболее широком диапазоне происходят изменения концентрации хлоридов, что связанно не только с ee сезонными естественными колебаниями, но и с искусственным регулированием водно-солевого режима озера. Вследствие интенсивного естественного наполнения водоема пресными метеорными и грунтовыми водами происходит значительное снижение концентрации хлоридов в весенний период, а с начала июня рапа начинает интенсивно испаряться. В этом случае для искусственного поддержания необходимого технологического объема бассейна осуществляется закачка морской воды. Интенсивное испарение с одновременным привнесением дополнительных солей обеспечивает высокие концентрации хлоридов в летне-осенний период. При этом исследователи обращают особое внимание на соотношение катионов кальция и магния, уменьшение содержания которых может свидетельствовать об антропогенном воздействии на водоем [23]. Однако сезонные колебания этого показателя в рапе Восточного бассейна были крайне незначительны (0.10–0.12), что подтверждает эффективность мер по регуляции водно-солевого режима бассейна с помощью соответствующих ГТС. Описанная выше тенденция сезонного изменения концен-трации хлоридов характерна и для других определяемых ионов, прежде всего для натрия и магния.

Вероятно, искусственное регулирование минерализации рапы в Восточном бассейне оз. Сакского путем подачи морской воды существенно меняет естественные природные процессы, при повышении температуры характеризующиеся усиленным испарением и повышением солености вплоть до осаждения соли на дне и на берегах водоема [7, 21, 36]. Отмечена высокая корреляция между минерализацией и содержанием катионов в рапе – суммарной концентрацией калия и натрия r = 0.99, концентрацией магния r = 0.95; более низкая – с концентрацией ионов кальция r = = 0.46.

Увеличение содержания минералов в рапе в жаркий период может негативно сказаться на биоте, особенно в случае наличия в воде тяжелых металлов, попадающих туда в том числе в результате техногенной активности [16, 17, 21, 29]. Следует отметить, что для экосистем соленых озер важны не только концентрация различных ионов, но и их соотношение. Изменение этого показателя может существенным образом повлиять на жизнедеятельность биоты, включая популяцию артемии, фитопланктон и микробные сообщества, играющие важную роль в процессах образования лечебных грязей [14, 20, 31]. Настоящие исследования показали, что цисты артемии присутствовали в рапе Восточного бассейна в течение всего года. Число их существенно варьировало в зависимости от сгонно-нагонных явлений, а также от оседания их на дно и концентрирования по берегам водоема, что отмечено и другими исследователями [4, 25, 26]. Науплии в рапе в массовом количестве появлялись в апреле, когда температура воды поднималась выше +10°С, хотя единичные экземпляры встречались и в феврале–марте. Эти личинки вылуплялись из цист, которые были продуцированы самками осенью перед массовым отмиранием, что обеспечило сохранение их в рапе и дальнейшее воспроизводство популяции рачка при благоприятных условиях (температуре и солености) [37]. В мае–июне в популяции появлялись взрослые половозрелые самки и происходил процесс живорождения. В этот период температура повышалась и условия для жизнедеятельности рачка ухудшались, что обусловлено снижением концентрации кислорода, истощением кормовой базы (фитопланктона), а затем и возрастанием солености. В июле–сентябре число науплиев и взрослых особей резко снижалось, так как температурный режим воды и высокая соленость неблагоприятны для данных жизненных стадий рачка, и в октябре доминировали цисты. В ноябре при выпадении осадков и распреснении бассейна опять появлялись науплии, но снижение температуры в декабре не позволило им развиться до взрослых особей. В это время в водоеме было отмечено много органических остатков, фрагментов и отмерших взрослых раков, которые оседали на дно и способствовали образованию лечебных илов. Таким образом, жизнедеятельность артемии в водоеме проявляла четкую зависимость от условий, формирующихся под действием климатических и сезонных факторов, в том числе от температуры рапы, концентрации солей и содержания кислорода в воде, а также от кормовой базы. Следует отметить, что в настоящее время с учетом важности артемии как стартового корма для объектов аквакультуры вопросам оптимизации выращивания и добычи рачка в естественных и искусственных условиях уделяется много внимания. Исследователи изучают влияние различных факторов на развитие артемии, в том числе непосредственно зависящих от климата [28], соотношения и содержания компонентов рапы [32], состава пищи [20, 39], а также роль рачка в процессах формирования лечебных илов, что очень важно для сохранения и рационального использования ресурсов соленых озер [26]. Таким образом, полученные данные позволяют понять особенности сезонной динамики экогидрологических условий Восточного бассейна оз. Сакского – важнейшего источника гидроминеральных и лечебных ресурсов Крыма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований показали четкую зависимость динамики экогидрологических условий Восточного бассейна оз. Сакского от природных (климатических) факторов и от искусственной регуляции водоема, которая позволила поддержать в нем оптимальный уровень минерализации и условия для жизнедеятельности биоты в летний период. Это имело особое значение в наиболее критический сезон – июль–август, характеризующийся интенсивным испарением и высокой температурой воды, превышающей +30°С. В летние месяцы был установлен самый высокий уровень минерализации рапы, содержания в ней катионов и анионов. При этом искусственная закачка 1 млн м³ морской воды с целью компенсации испарения (при среднем расчетном объеме Восточного бассейна 1.27 млн м³) оказала положительное влияние на гидрохимический состав рапы – привнесение дополнительного объема солей в акваторию без существенного изменения их соотношения. Рост концентрации NaCl отмечен в июне, в июле происходила стабилизация минерализации, а в августе установлено ее снижение. Иная закономерность обнаружена для MgSO₄ и MgCl₂, их содержание продолжало увеличиваться до августа, затем происходило падение этого показателя с сентября по октябрь. Вместе с тем сезонные изменения коэффициента метаморфизации К_м не совпадали с установленными трендами содержания гипотетических солей в рапе в период подачи морской воды. Жизнедеятельность артемии в водоеме проявляла четкую зависимость от условий, формировавшихся под действием климатических, сезонных и антропогенных факторов, – прежде всего от температуры, концентрации солей и содержания кислорода, а также от кормовой базы.