img-090539

В лимнологии ведущее значение придается гидробиологической характеристике озера. В основу классификации озер положено ко­ личество и состав органических и биогенных веществ в воде. Со­ держание биогенных веществ характеризует, трофность (кормностъ) озера. Гумифицированные озера со слабыми возможностями питания водных организмов относят к так называемым дистрофны м озерам, с более богатой жизнью — к евтрофным, а озера с ма­ лой трофностью и негумифицированной водой — к олиготрофным.

На трофность сильно влияют размер озера и степень прогревае­ мости его воды. При прочих равных условиях для озера небольшого размера будет характерен рост евтрофирования вследствие лучшей прогреваемости и лучшего обмена воды с донными отложениями. Наоборот, снижение уровня евтрофирования, сопровождающееся усилением признаков олиготрофности, является более вероятным вариантом для озера больших размеров. К крупным олиготрофным озерам относятся Байкал, Телецкое, Севан (до 50-х годов), Онеж­ ское, Ладожское, Великие американские озера.

Естественным процессом эволюции водных объектов является их евтрофирование, которое характеризуется повышением биоло­ гической продуктивности в результате накопления в воде биоген­ ных элементов. Однако под воздействием хозяйственной деятельно­ сти этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастают скорость и интенсив­ ность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естест­ венных условиях процесс евтрофирования какого-либо озера про­ текает за 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздей­ ствия это может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее (И. С. Коплан-Дикс, В. Л. Алексеев). Такой крупный водоем, как оз. Эри, перешло из олиготрофного в евтрофное состояния всего за

20—25 лет.

Развитие процесса евтрофирования приводит ко многим небла­ гоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие „цветения” и ухудшение качества воды, по­ явление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и ис­ чезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных про­ мысловых рыб). По мнению Л. Л. Россолимо, среди множества эле­ ментов, влияющих на процесс евтрофирования (азот, кислород, уг­ лерод, водород, сера, кальций, калий, хлор, железо, марганец, кремний и др.), для водоемов умеренной зоны решающую роль иг­ рает фосфор.

Если отношение содержания общего азота N к содержанию об­ щего фосфора Р меньше 10, то первичная продукция фитопланкто­ на лимитируется азотом, при N/P > 1 7 — фосфором, при N/P = = 10 ... 17 — азотом и фосфором одновременно. Отношение общего азота к общему фосфору в водоеме указывает на степень евтрофиро-

рания его водной экосистемы. Для сильно гумифицированных внутренних водоемов отношение N/Р равно 100 и более; для самых чистых олиготрофных и мезотрофных озер 30—40; для евтрофных водоемов, находящихся под очевидным антропогенным воздействи­ ем, 15—25; для гипертрофных водоемов 12—18 (в отдельных слу­ чаях 3—5). В грунтовом стоке N/Р равно 200 и более; в стоке с лес­ ных территорий 150—200; в ручьях, дренирующих распаханные территории, 7—8; в сточных водах животноводческих хозяйств и городов 3—8 (О. А. Алекин).

По рекомендации Б. А. Скопинцева, предложена следующая шкала трофических уровней:

Трофический статус водоема.........................Олиготрофный Мезотрофный Евтрофный

Антропогенное евтрофирование может возникнуть в крупном олиготрофном озере также в случае значительных изменений его гидрохимического режима. Редкая возможность оценить характер таких изменений представилась исследователям озера Севан, в ко­ тором в 1980-х годах произошло снижение уровня на 18,5 м по сравнению со средним многолетним. При этом площадь сократи­ лась на 12%, а объем воды на 40% . Искусственное понижение уровня озера было связано с интенсивным сбросом воды для энерге­ тических нужд через р. Раздан. В результате антропогенного вме­ шательства изменились гидрологический и гидрохимический ре­ жимы озера, что способствовало его ускоренному евтрофированию.

Весь период наблюдений за гидрохимическим режимом оз. Се­ ван, который начался в 1920-х годах, может быть разбит на три этапа. Первый этап — до изъятия воды на хозяйственные нужды (до 1950 г.), когда уровень воды находился на максимальных от­ метках, второй — период постоянного снижения уровня воды (1960—1980 гг.), третий (с 1981 г.) — стабилизация уровня вслед­ ствие переброски в озеро вод р. Арпа, но на более низких отметках, чем первоначально.

Детальные исследования гидрохимического режима оз. Севан, выполненные Р. О. Оганесян, Р. М. Парпаровой, А. А. Матвеевым и другими, позволили осветить изменения основных гидрохимиче­ ских параметров водоема. Эти изменения характеризуют данные табл. 8.3, 8.4 и рис. 8.5.

Как отмечено выше, зачастую лимитирующим фактором трофи­ ческого статуса озера, подверженного антропогенной нагрузке, яв­ ляется концентрация в воде фосфора. Среднегодовая концентрация

Таблица 8.4

Средние концентрации (мг/л) основных показателей химического состава воды оз. Севан в разные периоды (по Р. М. Парпаровой)

общего фосфора [F в воде озера с низким водообменом может быть рассчитана по формуле Волленвейдера — Диллона — Риглера

где L P — биогенная нагрузка на водоем, которая выражается коли­ чеством фосфора, поступающего с водосбора и с атмосферными осадками на единицу площади в г/(м2 • год); z — средняя глубина водоема, м; р — коэффициент условного водообмена, 1 /год; R P — коэффициент удержания фосфора в воде озера (для Ладожского озера R P, например, составляет 0,70).

PmuhiРобщ, NfWM

мг/л

П. Диллон и Ф. Риглер предложили метод оценки баланса фос­ фора в озере на основе использования уравнений интегрального ба­ ланса масс. Ими рассчитаны потоки фосфора на основе данных о поступлении фосфора из антропогенных источников, атмосферы, распространенных на водосборе пород, о выносе фосфора из озера, а также сведений по землепользованию в пределах его бассейна. Бы­ ли определены коэффициенты накопления, являющиеся функцией процессов седиментации фосфора.

Временные вариации концентраций фосфора можно предста­ вить в виде функции баланса масс. Использовав уравнение (8.10) и преобразовав его для единицы объема воды, получим:

где CP — концентрация фосфора в воде озера; V — объем озера; Qw— объем воды, расходуемой за год; R — коэффициент накопле­ ния; Qc — поступление веществ в результате химической эрозии почв и пород на водосборе; QP — поступление фосфора с осадками;

Qa — антропогенное поступление фосфора; S P — разность между концентрациями P-компоненты, образующейся и разрушающейся в водоеме за время At.

При Д С Р/Д * = 0 из формулы ( 8 . 1 3 ) имеем:

QwCp

Уравнение (8.13) можно использовать и для прогноза общих тенденций изменения содержания фосфора в воде водоемов во вре­ мени (например, за несколько лет), поскольку общие геохимиче­ ские и биохимические реакции фиксации фосфора в течение гидро­ логического года обычно меняются незначительно и могут быть приняты за постоянную величину. В то же время уравнение (8.13) нельзя применять при моделировании бесконечно малых измене­ ний dC p/dt в пределах одного года, так как скорость фиксации фос­ фора донными отложениями, а вместе с нею и коэффициент накоп­ ления этого элемента меняются в течение года при изменении кли­ матических условий и смешении воды в озере.

Для выяснения продуктивности озера определяется баланс ор­ ганического вещества. В любом озере непрерывно протекают слож­ ные процессы создания и разрушения (деструкции) органического вещества. Для вычисления баланса органического вещества в озере предложено следующее схематическое уравнение:

Приход органического вещества в озеро слагается из следующих элементов: Ф — фотосинтеза, X — хемосинтеза и усвоения диокси­ да углерода гетеротрофными организмами, А —поступления аллохтонного органического вещества с притоками и грунтовыми вода­ ми, И — поступления из иловых толщ. Расход органического ве­ щества из озера слагается следующими элементами: Д — деструк­ цией, С — стоком из озера, О — осаждением на дно.

Пример ориентировочного баланса суммарного количества ор­ ганического вещества (в виде Сорг) для Ладожского озера, по дан­ ным Н. Ф. Соловьевой, приведен в табл. 8.5.

Как видно из табл. 8.5, несмотря на наличие в озере автохтон­ ной продукции органического вещества, его приток в озеро значи­ тельно превышает вынос. По мнению О. А. Алекина, часть органи­ ческого вещества переходит в донные отложения, но большая часть минерализуется. Согласно расчетам Г. Ф. Расплетиной, до 70 % поступающего в озеро фосфора удерживается в нем в результате процессов седиментации.

Содержание биогенных веществ в озерах меняется по сезонам, достигая максимума в зимнее время, когда процесс фотосинтеза почти прекращается, а минерализация органических остатков в иле продолжается. Минимум содержания биогенных веществ наблюда­ ется в вегетационный период. Это особенно четко проявляется в озерах с интенсивно протекающими процессами образования и раз­ ложения органического вещества.

Таблица 8.5

Речной приток в Ладожское озеро и сток из него органических веществ в виде Сорти биогенных элементов, тыс. т

Пр и м е ч а н и е . В скобках приведена разность в процентах от притока.

Возерах присутствуют главным образом газы атмосферного происхождения (02, N2, С02), а также газы биохимического проис­ хождения, образующиеся в результате разложения органических остатков в придонных слоях озера. Особое значение в газовом ре­ жиме озер имеет кислород. Он поступает в воду не только из атмо­ сферы, но и образуется в самом озере в результате процессов фото­ синтеза. Содержание растворенного кислорода тесно связано с яв­ лениями создания и деструкции органического вещества, а его ре­ жим отражает динамику водных масс и условия их водообмена в озере.

Расходование кислорода идет на всех глубинах, но особенно ин­

тенсивно в донных отложениях. Поэтому общей характерной чер­ той распределения кислорода в вертикальном разрезе является уменьшение его содержания с глубиной (см. пример на рис. 8.6). Отклонение от „нормального” разреза зависит от ряда условий: трофности озера, термической стратификации, морфологии озера (особенно глубины), степени его проточности, грунтового питания, мощности иловых отложений и характера происходящих в них процессов.

В соответствии с представлениями О. А. Алекина рассмотрим режим кислорода двух наиболее характерных случаев: большого глубокого олиготрофного озера и небольшого мелкого евтрофного озера.

В глубоких озерах по сравнению с мелкими обычно наблюдают­ ся более низкие температуры, значительно более короткий период высоких температур в летний период. Оба этих обстоятельства от­ рицательно влияют на интенсивность течения биологических про­ цессов. Если к тому же озеро олиготрофное, то режим растворенно­

го кислорода определяется главным образом физическими факто­ рами — температурой и давлением. Поэтому в таких озерах зимой содержание кислорода наибольшее, а летом — наименьшее. Рас­ пределение кислорода по глубине будет зависеть от температуры воды (рис. 8.4, 8.7).

см

Рис. 8 .6 . Суточные колебания концентрации растворен­ ного кислорода (мг/л) в озере Касумигаура (Япония), в различные сезоны (по X. Секи)

В сравнительно неглубоких озерах с хорошо развитой органиче­ ской жизнью влияние биологических процессов на сезонные изме­ нения газов часто настолько велико, что значение растворимости газов отходит на второе место и температура имеет значение только как фактор, определяющий условия перемешивания массы воды озера.

Для неглубоких озер характерны не только сезонные изменения состава газов в воде, но и суточные колебания. Суточный ход наи-

▼

Г л а в а 8 Г и д р о х и м и я о з е р и и с к у с с т в е н н ы х в о д о е м о в 2 6 9

О Ь 8 12 1£ О Ь в 12 IS О и 8 12 1S О * в 02 ме/п

В)

О Ь 8 12 16 О 4 8 12 1$ 0 4 В 12 16 0 4 В 02мг/л

Рис. 8.7. Идеализированное распределение температуры и раство­ ренного кислорода в олиготрофном (а) и евтрофном (б) озерах. Увеличение концентрации 0 2 с глубиной в олиготрофном озере ле­ том обусловлено более высокой растворимостью 0 2 при более низ­ ких температурах (по Р. Вецелю)

I — весенний водообмен, I I — летняя стратификация, III — осенний водо­

обмен, I V — звмняя стратификация

более ярко выражен в хорошо прогреваемых евтрофных озерах, особенно в летний период. Это явление можно наблюдать также в прибрежных мелководных частях больших и средних озер, в мес­ тах, где в теплый период происходит активное развитие водорос­ лей.

8.2. Х имический с о ста в в о д со л о н о в аты х и с о л я н ы х о зе р

Общепринято называть соляными озера с минерализацией 35 % о и выше. Эта граница между солоноватыми и соляными озе­ рами как раз соответствует концентрации солей в океанической во­ де. Следовательно, соляными озерами называются такие, содержа­ ние солей в водах которых равно или более содержания солей в океанической воде. Верхний предел указать невозможно, так как он зависит от степени растворимости солей, температуры воды и других факторов. Встречаются озера, воды (рассолы) которых име­ ют соленость до 300 % о и более. Озера называются соляными, а не солеными потому, что в воде (рассоле) содержатся разнообразные

1

2 7 0 ________________________________ Р а з д е л 2 . О б щ а я и р е г и о н а л ь н а я г и д р о х и м и я ________________________________________

соли и вкус ее может быть и горьковато-соленым, и горьким. Соля­ ные озера называются еще минеральными, их рассолы используют­ ся для лечебных целей.

С олоноват ые озера, как и соляные, распространены в области недостаточного увлажнения — в сухих степях, полупустынях и пустынях. Солоноватые озера могут быть полупроточными и бес­ сточными. Химический состав их вод существенно отличается от химического состава воды питающих их рек. В солоноватом озере вода подвергается испарительному концентрированию, при этом происходят изменения в соотношении главных ионов, а следова­ тельно, изменение ее химического состава. В процессе концентри­ рования в воде происходит частичное выпадение солей в осадок.

К категории крупных солоноватых озер относятся Балхаш, Ис- сык-Куль и Аральское море. Химический состав вод этих озер:

Аральское море

Cl 58 S04 39 HC033

10,3 " Na 59 Mg 25 Ca 16 ‘

По преобладающим ионам вода перечисленных озер является хлоридно-сульфатной или сульфатно-хлоридной, а по катионному составу магниево-натриевой. Химический тип воды озер Балхаш и Иссык-Куль — второй. Аральское море занимает промежуточное положение между вторым и третьим типами.

Расчет химического баланса бессточного солоноватого озера представляет собой весьма сложную задачу. Поскольку бессточное озеро речного стока не имеет, его основная расходная часть заклю­ чается в выпадении солей в осадок. При минерализации рассматри­ ваемых трех озер 1,5—10,3 %о возможно выпадение из воды слабо­ растворимых карбонатов — кальцита СаС03, доломита CaMg(C03)2