7.6. Гидрохимический режим речных водохранилищ
В водохранилищах речного типа процесс становления гидрохими-ческого режима идет медленно, при этом на первом этапе формирования в них ухудшается кислородный режим (М. Н. Тарасов, И. М. Павелко, 1969). Так, в Вилейском водохранилище в первые годы эксплуатации содержание кислорода в водной толще не превышало 60 – 85 % насыщения в летний период. Зимой его количество понижалось до 15—50 % насыщения. При этом четко прослеживалось уменьшение от поверхности ко дну. Одновременно наблюдались значительные величины цветности (40 – 75˚) и перманганатной окисляемости (8,0 – 11,0 мгО2/дм³), что свидетельствует о высоком содержании органического вещества в воде. Увеличение концентрации кислорода до 90 – 93 % отмечалось уже на пятом году эксплуатации водохранилищ.
Попадая в водохранилище, речные воды застаиваются, в результате воздействия внутриводоёмных процессов преобразуются, и общая минерализация постепенно изменяется. Очень четко это прослеживается на примере общей минерализации Вилейского водохранилища. Летом 1974 года общая минерализация воды в водоёме колебалась в пределах 300 – 320 мг/дм³, причем разницы между речными и водохранилищными водами не наблюдалось. Так, гидрокарбонатный ион составлял 230 – 245 мг/дм³, а ионы хлора не превышали 5,8 мг/дм³. Следует отметить интересную закономерность в распределении гидрокарбонатного иона и ионов кальция и магния: их концентрация ко дну понижалась. Летом 1975 года общая минерализация составляла уже 250 – 280 мг/дм³, за счет уменьшения гидрокарбонатного иона, что предполагает выработку в водохранилище гидрокарбонатной системы равновесия. На пятый год действия водохранилище разделилось на две зоны с минерализацией 290 – 295 мг/дм³, в районе мелководья (речная часть) и 220 – 250 мг/дм³ с глубиной 3 – 6 м (приплотинная часть).
В зимних условиях общая минерализация воды водохранилищ продолжала понижаться и в приплотинной части достигла 130—200 мг/дм³. При этом уменьшение величины минерализации с глубиной сохранилось. В этих точках коррелируются величины активной реакции воды (рН) и гидрокарбонатных ионов. Содержание хлоридов и сульфатов остается почти без изменений и составляет соответственно 4,5 – 7,6 и 12,8 – 16,4 мг/дм³.
Следует отметить, что на стадии заполнения водохранилищ содержание биогенных элементов постоянно уменьшается. Содержание железа общего по сравнению с речными водами понизилось в 2 раза, кремния — в 3 – 4 раза, а количество фосфатов в летнее время незначительно возросло. К четвёртому — пятому году эксплуатации распределение биогенных элементов приобрело вертикальную зависимость. Особенно четко эта закономерность проявилась в зимних условиях.
В последующее десятилетие содержание кислорода в водохранилище составляет 10 – 14 мг/дм³, максимальные величины наблюдаются в весенне-зимний период. Количество углекислого газа не превышает 15 мг/дм³ весной и значительно уменьшается летом, при этом наблюдается четкая зависимость между рН, СО2и НСО3. Активная реакция воды изменяется от нейтральной до щелочной в зависимости от сезона. Осенью и зимой она ближе к нейтральной, весной и летом увеличивается в сторону щелочной, достигая величины 8,8 рН.
Общая минерализация воды продолжает понижаться за счет сокращения ионов НСО3-. Наименьшие показатели последних отмечены 1985 – 87-х годах (105 – 170 мг/дм³). В водохранилище отмечены также внутригодовые изменения общей минерализации. Весной её уменьшение объясняется, по-видимому, большим притоком речных вод, в летнее время гидрокарбонатный ион более стабилен, его величина не падала ниже 130 мг/дм³, а летом 1990 года достигала 205 мг/дм³ и к осени начала медленно понижаться). Необходимо отметить лишь некоторое увеличение содержания гидрокарбонатного иона (10 – 15 мг/дм³) в зимний период.
Содержание хлоридов в рассматриваемый нами период по-прежнему невелико (7,0 – 10,5 мг/дм³), но постепенно их количество увеличивается и лишь в отдельные годы (1981 – 82 гг.) в зимний сезон не превышает средних показателей предыдущего пятилетия, что объясняется уменьшением поверхностного стока в зимних условиях.
Следует отметить, что в Вилейском водохранилище существует характерная закономерность: НСО3ˉ > Ca²+ > SО4²ˉ > Mg²ˉ > Na+ > K+. Количество сульфатов колеблется в пределах 18 – 25 мг/дм³, причем сезонных изменений не наблюдается. Из биогенных элементов максимальное количество отмечено для кремния, среднее его содержание составляет 3,5 – 4 мг/мд³, максимум достигая в летний сезон в 1987 г. (рис. 7.7).
Что касается соединений азота, то первое место занимает аммонийный азот. В осенних и зимних условиях его величины стабильны и колеблются в пределах 0,1 – 0,3 мг/мд³, летом можно наблюдать как максимум (около 0,75 мг/дм³), так и минимум (0,05 мг/мд³). Количество нитратного азота связано с процессами азотфиксации и денитрификации. Его количество колеблется от 0,2 до 1,3 мг/дм³, наибольшие амплитуды характерны для весеннего периода. Нитритный азот, как правило, отсутствует или отмечается в незначительных количествах, что связано с потреблением его живыми организмами. Содержание фосфатов в водохранилище невелико (0,002 – 0,01 мг/дм³) и тесно связано с содержанием кислорода и железа.
Органическое вещество в воде характеризуется бихроматной и перманганатной окисляемостью, а также величиной БПК5. В осенне-зимних условиях бихроматная окисляемость колеблется от 18 до 45 мгО2/дм³, а летом от 22 до 55 мгО2/дм³, наибольшие показатели отмечены зимой в 1982 и летом 1991 – 1992 гг.. Высокие показатели бихроматной окисляемости могут быть объяснены как развитием фитопланктона, так и трансформацией органического вещества, принесенного с водосбора.
Рис. 7.7. Биогенные элементы в воде Вилейского водохранилища
Необходимо отметить, что по величине БПК5судят о внутриводоёмных процессах в водохранилище. В осенне-зимний период БПК5изменяется в пределах 1,5 – 3,5 мгО2/дм³, что свидетельствует об уменьшении фитопланктона, летом эта величина колеблется в средних показателях, а весной в отдельные годы (1981, 1988, 1993 гг.) возрастает до 5,5 мгО2/дм³, что связано с приносом органики со стоковыми водами.
Второй этап гидрохимического режима водохранилищ отличается стабильностью, или «устойчивостью». В это время газовый и гидрохимический режим водохранилищ подчиняется законам озёрного формирования. Содержание кислорода зависит от климатических, гидродинамических условий водоёмов и биологических факторов. Это подтверждается исследованием на Любанском водохранилище. Содержание кислорода в этом водоёме за последние 10 лет наблюдений (1983 – 1993 гг.) колеблется от 5,6 до 15,00 мг/дм³, что составляет 98 – 100 % насыщения. Максимальные значения характерны для весеннего периода, что связано с интенсивным ветровым перемешиванием водной массы, поступлением поверхностных вод с водосбора и весенним фотосинтезом. В зимних условиях для водохранилища характерны также высокие показатели кислорода, а изменения их от сезона к сезону незначительны. Самые низкие показатели содержания кислорода (>5 мг/дм³) отмечены в летние сезоны 1989, 1990 и 1992 гг., что может быть связано, с одной стороны, с минерализацией органического вещества, а с другой стороны, потреблением его бурно развивающегося фитопланктона, о чем свидетельствуют полное отсутствие углекислого газа и довольно высокие значения БПК5(2,5 – 4,5 мгО2/дм³).
Общая минерализация воды в Любанском водохранилище составляет 190 – 260 мг/дм³, за счет ионов НСО3ˉ > Ca²+ > SО4²ˉ > СIˉ> Mg²+ > K+. Причем такое распределение характерно для всех сезонов года, за исключением летних периодов 1988 – 1990 гг., когда содержание хлоридов превалировало над качеством сульфатов. Одновременно следует отметить последний рост всех макрокомпонентов при относительной стабилизации хлоридов и сульфатов. Количество последних составляет соответственно 18 – 35 мг/дм³ и 20 – 45 мг/дм³.
Наиболее динамичными составляющими гидрохимического режима являются биогенные элементы и органическое вещество. В последнее десятилетие для Любанского водохранилища характерны относительно высокие показатели цветности (20 – 60°), за исключением отдельных сезонов, когда цветность достигала 85 – 90° (1989 г). Наибольшие колебания цветности и бихроматной окисляемости характерны для весенних сезонов, когда количество органики зависит в значительной степени от поступления ее с водосбора. Бихроматная окисляемость весной колеблется от 15 до 60 мгО2/дм³, при средней 30 – 32 мгО2/дм³. Летом отмечен рост бихроматной окисляемости в последние три сезона наблюдений. Прозрачность составляет 1,0 – 2,0 м, величина БПК5колеблется в пределах 3,5 – 5,5 мгО2/дм³ и остается стабильной во все сезоны.
Количество и распределение биогенных элементов связано с развитием всех процессов экосистемы. В связи с этим следует отметить, что в Любанском водохранилище содержание аммонийного азота не превышает в среднем 0,6 – 0,8 мг/дм³, причем максимум приходится на март-апрель. В весенний и летний сезоны количество аммонийного азота составляет 0,2 – 0,3 мг/дм³ (рис. 7.8).
Концентрация нитратов из-за их неустойчивости очень незначительна. Только в зимний период в водохранилище содержание NО2ˉ достигает сотых долей миллиграмма в литре, в весенний период их количество снижается и летом отмечено их полное отсутствие, что характерно для водохранилищ, не имеющих постоянных источников загрязнения. Содержание нитратов в водохранилище подвержено значительным внутриводоёмным изменениям с минимальной концентрацией в летний сезон. Средние величины для летнего периода составляют 0,1—0,2 мг/дм³, зимой они достигают 0,3—0,4 мг/дм³, в отдельные годы превышают 1,0 мг/дм³.
Главным питательным элементом в водохранилище является фосфор. Он может быть представлен фосфатами и общим фосфором. Количество фосфатов в Любанском водохранилище за период исследований колеблется в пределах 0,002—0,520 мг/дм³, при среднем 0,15 мг/дм³, что характерно для водоёмов эвтрофного типа.
Максимальное количество общего фосфора приходится на летний сезон и составляет 0,1 – 0,25 мг/дм³ и в течение года его колебания незначительны.
Устойчивость Любанского водохранилища объясняется пониженной распаханностью водосбора (27 %) и интенсивным притоком болотных вод по мелиоративным каналам и вод р. Орессы.
Второй этап развития характерен для водохранилищ Заславское, Осиповичское, Чигиринское и др.
Рис. 4.17. Содержание биогенных элементов в Любанском водохранилище
Третий этап формирования гидрохимического режима характерен для высокоэвтрофных и дистрофирующих водохранилищ. К этой группе в настоящее время относятся Плещеницкое, Саковщинское, Волковичское, Краснослободское. В них отмечены кислородное перенасыщение в летнее время во всей водной толще и острый дефицит в зимних условиях, высокое содержание биогенных элементов, особенно общего фосфора (0,6 – 0,9 мг/дм³) и нитратов (0,7 – 1,7 мг/дм³). Однако следует учитывать, что указанные водоёмы достигли данного уровня трофии значительно быстрее вследствие значительного антропогенного процесса (В. М. Широков, и др., 1991).