Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности формирования и развития малых озер урбанизированных территорий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Особенности формирования и развития малых озер урбанизированных территорий"

На правах рукописи

Шнгапов Нршат Сайдашович

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ МАЛЫХ ОЗЕР УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА КАЗАНИ)

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

27 НОЯ 2014

Москва 2014

005556052

005556052

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» на кафедре природообустройства и водопользования

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Мингазова Нафиса Мансуровна

Научный консультант: доктор географических наук, профессор кафедры

географии и методики её преподавания ФГБОУ ВПО «Набережночелнинский институт социально-педагогических технологий и ресурсов» Мусин Азгар Гареевнч

Официальные оппоненты: Егоров Александр Николаевич

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт озероведения Российской академии наук»

Исаев Дмитрий Игоревич

кандидат географических наук, доцент кафедры гидрометрии ФГБОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Ведущая организация: Учреждение российской академии наук

Институт водных проблем Российской академии наук

Защита состоится «20» января 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.025.03 при Государственном университете по землеустройству по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству» и на сайте wvvw.guz.ru

Автореферат разослан « А 8 » ноября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В ходе исторического развития городов в площадь урботерриторий попадают водные объекты, чаще всего малые реки и озера. Использование малых озер не всегда экономически целесообразно и поэтому им уделяется небольшое внимание в плане изучения и сохранения. В силу небольших размеров малые озера обладают слабой способностью к самоочищению и практически не способны справиться с резко возросшей нагрузкой, что нередко ведет к необратимым изменениям в них. Ухудшение состояния озер оказывает негативное воздействие на экологическую обстановку города.

Настоящая работа посвящена исследованию проблемы формирования и развития малых озер урботерриторий под влиянием природных и антропогенных факторов.

Актуальность исследований связана с тем, что малые озера имеют большое значение в плане сохранения генофонда фауны и флоры в условиях города, нередко имеют рекреационное и средообразующее значение (Драбкова и др., 1994). В ряде стран учитываются даже очень малые пресноводные озера (Ефремов, 1991).

Цель работы - выявление особенностей формирования и развития озер урбанизированных территорий на примере малых озер города Казани.

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи:

1. Выявить факторы, влияющие на распределение, формирование и развитие озер в условиях урботерриторий.

2. Определить генетические типы озерных котловин, количество и морфометрические параметры озер города Казани.

3. Исследовать физико-химические показатели и качество вод озер, определить взаимосвязи физико-химических показателей воды и морфометрических параметров.

4. Исследовать динамику уровенного режима и роль сохраненного водосбора в характере сезонных изменений уровня вод малых замкнутых озер в условиях урбанизации.

5. Определить трофический статус озер и тенденции его изменения в условиях урбанизации.

6. Определить критерии оценки экологической ситуации и разработать рекомендации по мероприятиям экологической реабилитации для озер урботерриторий.

Объектом исследования явились малые озера города Казани.

Предмет исследования - лимнические параметры, условия формирования и развития малых озер в условиях урботерриторий.

Научная новизна. Автором впервые проведена систематизация 190 озер города Казани по морфометрическим, физико-химическим и трофическим

показателям с выделением преобладающих групп озер. Применен авторский подход при разработке генетической классификация озер. Применительно к условиям урботерриторий дополнены и развиты ранее известные схемы формирования и развития озер. Впервые установлено, что изменения сезонной динамики уровня вод малых озер умеренной зоны Европейской части России зависят от соотношения площади сохраненного водосбора к площади озер. Разработаны критерии оценки экологической ситуации для принятия реабилитационных мероприятий по 4-м группам, предложены конкретные мероприятия с учетом состояния озер.

Теоретическая значимость. Настоящая работа направлена на развитие теории озерного морфолитогенеза и концепции единства озера и его водосбора в условиях урботерриторий умеренной зоны Европейской части России.

Практическая значимость. Полученные результаты включены в экологические паспорта водных объектов города Казани, использующиеся МУП «Комитет внешнего благоустройства города Казани» для принятия управленческих решений в области городского хозяйства, экологического проектирования и благоустройства озер. Результаты работы используются в учебном процессе КФУ по дисциплинам «Гидрология, климатология и метеорология», «Гидрометрия», «Охрана водных ресурсов», «Восстановление водных объектов» и др.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В развитие теории озерного морфолитогенеза предложены генетическая классификация озер, схемы формирования и развития озер урботерриторий в условиях умеренной зоны и приустьевого расположения города; определяющими процессами формирования озер являются гидролого-морфологический, просадочно-суффозионный и антропогенный процессы.

2. Для поддержания естественной сезонной динамики уровня вод малых бессточных озер урботерриторий, являющихся вместе с водосбором элементами экологического каркаса города, необходимо сохранение площади ненарушенного водосбора в минимальном соотношении 1:1 к площади озера.

3. Лимногенез озер урботерриторий в условиях умеренной зоны направлен в сторону интенсивного антропогенного эвтрофирования, что определяет важность применения методов экологической реабилитации, направленных на снижение биомассы макрофитов и водорослей.

Достоверность научных положений определяется значительным объемом исследованного материала, статистической обработкой полученных данных, использованием рекомендованных и общепринятых методик исследования.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на Ш Международной научной конференции «Проблемы

природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008); всероссийских конференциях: «Природно-ресурсный потенциал Республики Татарстан и сопредельных территорий» (Казань, 2007), «Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России» (Казань, 2008), «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Казань, 2009); региональных конференциях: «Проблемы охраны вод и рыбных ресурсов Поволжья» (Казань, 2009), конгрессах «Чистая вода» (Казань, 2010-2014) и др. По теме опубликовано 17 работ (3 в журналах ВАК).

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в работах по сбору материала, в анализе и статистической обработке фактических данных, в интерпретации полученных результатов, в формулировании основных положений, выносимых на защиту, разработке практических рекомендаций.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 161 странице текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, содержит 63 рисунка, 41 таблицу, приложение. Список литературы содержит 219 источников, в том числе 12 -иностранных.

Благодарности: автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - проф., зав. каф. природообустройства и водопользования, зав. лаб. оптимизации водных экосистем КФУ, д.б.н. Мингазовой Н.М. и научному консультанту - проф. НИСПТР, д.г.н. Мусину А.Г. за помощь в организации исследований, проф., д.г.н. Апхименко А.П. (Институт озероведения РАН) и доц. КФУ, к.г.н. Шарифуллину А.Н. за ценные консультации, а также коллективу Лаборатории оптимизации водных экосистем КФУ за предоставление возможности использования фондовых материалов и помощь в полевых исследованиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Литературный обзор

Проблема развития и функционирования озер в условиях урбанизированных территорий привлекает внимание разных специалистов. Исследования посвящены критериям экологического состояния водоемов, качеству водных ресурсов и изменению экологического состояния озер (Кудерский и др., 2002; Румянцев, 2006 и др.). формированию внешней нагрузки на озера (Кондратьев, 2007), моделированию экосистем озер (Астраханцев и др., 2003), проблемам оптимизации экологического состояния озер (Деревенская, 1997; Мингазова, 1984, 1999, 2007 и др.). В тоже время вопросы взаимодействия города и экосистем озер раскрыты недостаточно.

Определяющая роль морфологии котловины озера в лимнических процессах отражена в работах Г.Ю. Верещагина (1930), Д. Хатчинсона (1969), Б.Б.

Богословского (1960, 1970), Л.Л Россолимо (1953, 1957), Л.Ф. Форша (1974), В.Г. Драбковой, И.Н. Сорокина (1979), Д.В. Севастьянова (1979), С.П. Китаева (2007) и др.

Под озерным морфолитогенезом понимается совокупность процессов, приводящих к формированию озерных котловин, дальнейшему их преобразованию при участии рыхлых отложений в условиях динамической среды и высокой энергии эндогенных и экзогенных процессов. Согласно теории озерного морфолитогенеза (Симонов, 1969, 1992; Ефремов, 1996, 1999; Зеленский, 2003; Зимницкий, 2005 и др.), для озер, расположенных в зоне активных тектонических движений, на слабо подверженных антропогенному воздействию территориях, развитие представляется в виде: условия - факторы - процессы - механизм формирования озерных котловин -генетические типы озер - комплекс озерных осадков - микроформы рельефа в пределах озерных ванн. Для озер Забайкалья отмечалось, что условия и факторы выступают раздельно (Симонов, 1969, 1992). Теория озерного морфолитогенеза раскрывает значение климатических факторов (Ладейщиков, 1975), влияние изменений климата на уровень воды озер (Шнитников, 1965, 1968), динамику процессов и взаимодействие между ними (Ефремов, 1996, 1999; Ефремов, Зимницкий, 2003). Развитие озерного морфолитогенеза в условиях сильно трансформированных территорий городов требует дальнейшего изучения.

Глава 2. Материалы и методы изучения озер города Казани

Настоящая работа выполнялась на кафедре теории и методики географического и экологического образования (2005-2008 гг.), в лаборатории оптимизации водных экосистем (ЛОВЭ, 2006-2012 гг.) и была завершена на кафедре природообустройства и водопользования КФУ (2012-2014 гг.). Исследования проводились по муниципальному контракту по теме «Инвентаризация и паспортизация водных объектов и зеленых насаждений г. Казани» (2007-2008 гг.), выполняемого ЛОВЭ.

Объектом исследования были выбраны малые разнотипные озера г. Казани, всего 190 озер. Исследования проводились с использованием полевых гидрологических исследований, измерений физико-химических показателей с последующей обработкой данных, а также анализом фондовых материалов (экологических паспортов) ЛОВЭ по инвентаризации озер г. Казани.

За основу методики изучения особенностей формирования и развития озер в условиях урботерриторий, была взята разработанная автором структурная схема воздействия урбоэкосистемы на малые озера (рис. 1). Выделено три механизма, влияющие на качество воды посредством разных факторов.

В ходе полевых работ замерялся расход воды для проточных озер методом «скорость-площадь»; дебит родников вычислялся объемным способом. Морфометрические параметры измерялись по картам (Ml: 10000). Использовались батиметрические схемы из экопаспортов. Для обработки картографических данных использовался ГИС Map Info Professional 10.5. Измерение прозрачности воды проводилась диском Секки, электропроводности - кондуктометром «Hanna», содержание кислорода - оксиметром «Марк». Корреляция морфометрических параметров и физико-химических показателей воды проводилась по методу Спирмена с уровнем значимости р<0.05. Математическая обработка данных производилась с помощью программ MS Excel. Statistica 7.0.

Глава 3. Формирование озер на территории города Казани

Влияние урбанизации на озера города Казани. Для выявления последствий воздействия урбанизации, на территории города Казани были выделены участки с различной продолжительностью антропогенного воздействия (рис. 2). В центральной части города Казани озера испытывали сильное влияние города в течение длительного времени. По направлению к окраинам озера испытывали воздействие урбанизации в течение меньшей продолжительности времени.

Количество озер заметно уменьшается на территориях, подвергшихся более длительному влиянию градостроительства (табл.1). Сохранившиеся озера представляют собой искусственные или относительно крупные для города озера, малые озера, существовавшие ранее, в основном засыпаны. Следовательно,

существовать длительное время, подвергаясь сильному антропогенному влиянию, могут лишь относительно крупные озера.

Рис. 2. Картосхема этапов застройки города Казани и современного расположения озер.

Таблица I. Распределение озер по участкам с разной продолжительностью воздействия

процесса урбанизации

Этапы застройки Количество озер

Всего Природных Искусственных

До сер. 16 в. 1 0 1

Сер. 16 в. - втор.пол. 18 в. 2 2 0

Втор. пол. 18 в. - нач. 20 в. 4 2 2

Нач. 20 в. - нач. 21 в. 132 84 48

Незастроенные территории 51 47 4

Воздействие города на озера многофакторно, в первую очередь необходимо выделить физическое воздействие. Для города Казани наиболее характерны: засыпка (оз. Чишмяле), спрямление берегов (оз. Марьино), водозабор (оз. Ср. Кабан), сброс отходов (оз. Утиное), перекрытие площади водосбора (оз. Б.Глубокое).

Весьма распространено химическое воздействие: сбросы сточных вод, включая аварийные (оз. Н. Кабан и др.), поступление химических веществ с атмосферными осадками и с загрязненными грунтовыми водами.

В последнее время особую актуальность приобретает биологическое воздействие: интродукция чужеродных видов, микроорганизменное загрязнение и др.

Факторы формирования озер на территории города Казани. По данным исследования разработана региональная схема формирования озерных котловин в

условиях города (рис. 3). На фоне стабильных тектонических условий формирование озер обусловлено 7 факторами природного происхождения (ветер, температура воды, атмосферные осадки, течения и волнения, сток воды и наносов, подземные воды, состав горных пород) и антропогенным фактором. Данные факторы обуславливают разнотипные процессы, но определяющими процессами формирования озер (на основании анализа происхождения котловин) являются гидролого-морфологический, просадочно-суффозионный и антропогенный процессы.

Рис. 3. Структурно-функциональная схема формирования озерных котловин на территории города Казани.

Процесс развития озер на территории города Казани. По данным проведенных исследований в процессе формирования озер урботерриторий можно выделить трансгрессивную (рост объема воды, увеличение площади и глубины озерной котловины) и регрессивную (деградация озер) фазы (рис. 4). Применительно к озерам города Казани можно отметить сильное антропогенное влияние на процесс развития озер.

Трансгрессивная фаза

Озерный морфолитогенез

Регрессивная фаза

Прямое антропогенное воздействие

Косвенное антропогенное воздействие

Подъем уровня Куйбышевского водохранилища

1 I

о ГиДрО--о техническое г подтопление

Поднятие уровня грунтовых вод

I I I

Прямое антропогенное воздействие

-У

1

Природные процессы

I I I

Грунт

Косвенное антропогенное воздействие

Сокращение площади водосбора

Нарушение гидрологического режима

ГГ71

Зарастание Усыхание - 1___1

I

Рис. 4. Структурно-функциональная схема развития озерного морфолитогенеза на территории города Казани

Глава 4. Характеристика озер города Казани

Количество и морфометрические параметры озер города Казани. На территории города Казани (413 км2) учтено и изучено 190 озер общей площадью 5,71 км2, суммарным объемом водной массы - 0,02 км3. Озерность территории г. Казани составляет 1,39%. Озера распределены на группы по морфометрическим (табл.2) и морфологическим (табл.3) параметрам.

Таблица 2. Распределение озер города Казани по морфометрическим параметрам

Группы озер Число озер

По площади водного зеркала Всего % от общего числа

менее 0,1 га 57 30

0,1-0.5 га 69 36.4

0,5-1 га 21 11,1

1-10 га 31 16.3

более 10 га 12 6,3

По длине

до 100 м 107 56,3

100-200 м 42 22.1

200-300 м 13 6.8

300-500 м И 5.8

500-1000 м 8 4,2

свыше 1000 м 9 4.7

По средней ширине

до 50 м 107 56,3

50-100 м 61 32.1

свыше 100 м 22 11,6

По длине береговой линии -

61,2-100 м 9 4,7

100-1000м 154 81,1

1000-8324м 27 14.2

По объему водной массы

до 1 тыс. м3 67 35,3

1-10 тыс. м3 81 42.6

10-100 тыс. м1 31 16.3

100-1000 тыс. м3 6 3,2

свыше 1000 тыс. м3 5 2.6

По площади водосбора

до 1 га 128 67,4

1-10 га 45 23,7

свыше 10 га 17 8,9

Таблица 3. Распределение озер города Казани по показателям морфолопш котловины

Группы озер Число озер

Всего % от общего числа

По показателю удлиненности

1.00-3,00 135 72,6

3.01-6.00 31 17.9

6,01-9,00 12 8,4

свыше 9,00 2 1,1

По показателю развития береговой линии

1-2 160 84.2

2-3 19 10,0

3-4 6 3.2

4-5 3 1,6

свыше 5 2 1

По максимальной глубине

до 1 м 43 22.6

1-2 м 98 51.6

2-3 м 24 12,6

3-4 м 14 7.4

4-5 м 4 2.1

свыше 5 м 7 3,7

По средней глубине

до 1 м 146 76,8

1-2 м 35 18,4

свыше 2 м 9 4,7

По показателю открытости котловины

до 1 тыс. 16 8,4

1-10 тыс. 108 56.8

10 тыс.-100 тыс. 57 30,0

более 100 тыс. 9 4,7

По показателю емкости котловины

0-0,25 29 15,3

0,25-0,5 86 45,3

0.5-0,75 71 37,4

0,75-0,89 4 2,1

Большинство озер имеют удлиненные формы котловины. Объем водной массы большинства озер менее 20 тыс. м3 (рис. 5).

Рис. 4. Распределение объема водной массы озер различного происхождения.

Генетические типы котловин озер города Казани. Процесс формирования малых озер города Казани в условиях урботерриторий определяет образование следующих групп озер по происхождению: карстовые, суффозионные, суффозионно-карстовые, старичные, пойменные, дельтовые, междюнные, органогенные, копани, запруды, карьерные, водоемы дренажных каналов (устьевые расширения дрен, запруды дренажных каналов, расширения дрен). Предложенная авторская генетическая классификация (рис. 6) и типизация озер города Казани, проведенная по ней, позволяет выявить соотношение типов процессов образования и развития озер.

Рис. 6. Генетическая классификация озер города Казани

Среди малых озер города Казани преобладают озера природного происхождения (136 озер из 190), включающие суффозионные (19,0%), пойменные (16,3%) и старичные (12,6%) озера (табл.4). Среди озер искусственного происхождения преобладают карьерные озера (21) и копани (16 озер). Следовательно, расположение урботерритории в пойменных и устьевых участках рек определяет преобладание долинных озер (31,5%), происхождение которых определяется гидролого-морфологическими процессами.

Таблица 4. Происхождение озер города Казани

Озера природного происхождения Озера искусственного происхоясдения

Группа озер Карстовые Суффозионные Суффозионно-карстовые Старичные Пойменные Дельтовые Междюнные Органогенные ! Копани Запруды Карьерные О § 2 к -я « я о о. о 6 1 § ^ я о. Запруды дренажного каналов Расширения дрены Всего

Кол-во 4 36 23 24 31 5 4 9 16 6 21 2 6 3 190

Гидрохимическая и гидрофизическая характеристика озер. Преобладающими анионами в озерах города являются гидрокарбонаты и сульфаты, а катионом -кальций. Вода 45% объектов относилась к гидрокарбонатному типу, кальциевой группе; 10% - к гидрокарбонатному типу, натриевой группе; 25% - к сульфатному типу (с преобладанием катионов кальция - 16%); 11 % - к хдоридному типу с преобладанием ионов натрия (6,4%) и кальция (4,6%). Вода большинства озер имеет среднюю и повышенную степень минерализации (табл. 5).

Таблица 2. Распределение озер города Казани по основным _гидрохимическим показателям__

По минерализации воды (классификация по: Алекин,1970)

Категории Показатели воды Количество озер

Очень малая меньше 100 мг/л 25

Малая 100-200 мг/л 32

Средняя 200-500 мг/л 62

Повышенная 500-1000 мг/л 71

По величине водородного показателя (классификация по: Никаноров, 1989)

Класс воды РН Количество озер

Сильнокислые воды <3 0

Кислые воды 3...5 0

Слабокислые воды 5...6.5 15

Нейтральные воды 6.5...7.5 71

Слабощелочные воды 7.5...8.5 85

Щелочные воды 8.5—9.5 19

По содержанию общего азота (классификация по: Дмитриев и др., 1997)

Содержание общего азота Количество озер

До 0,35 мг/л 17(8,9%)

0,35-0,95 мг/л 56 (29,5 %)

Свыше 0,95 мг/л 117(61,6%)

По степени загрязнения с использованием классификации цо показателю БПК5 (классификация по: Косов, Иванов, 1995)

Степень загрязнения (классы качества воды) бпк5 Количество озер

Очень чистые 0,5-1,0 8

Чистые 1,1 - 1,9 15

Умеренно загрязненные 2,0-2,9 24

Загрязненные 3,0-3,9 28

Грязные 4,0-10,0 115

По классам чистоты воды согласно эколого-санитариой классификации вод по насыщению кислородом (классификация по: Романенко и др., 1990)

Класс % насыщения О2 Количество озер

Предельно чистая 100 0

Чистая 81-100/101-110 38(27/11)

Удовлетворительной чистоты 61-80/111-130 41(16/25)

Загрязненная 31-60/ 131-150 38(21/17)

Грязная <30/>150 73 (57/16)

Оценка качества вод по физико-химическим показателям указывает на неблагополучное состояние озер. Вода 69.5% озер содержит до 0.1 мг/л минерального фосфора (рис. 6). Степень загрязнения по БПК5 для большинства озер (рис. 7) характеризуется категорией «грязных» вод (60.5%).

■ до 0.1 мг/л

■ 0.1-1 мг/л

.о*«™, .....-

Вк^ШгаНШ Умеренно

^ТчИ^Ш «грязненные

^^НННпЩ^&ЯЯ ° * Загрязненные

Рис. 5. Распределение озер города. Казани Рис. 6. Распределение озер города. Казани по содержанию минерального фосфора по классам по показателю БПК<

Взаимосвязь Физико-химических показателей воды и морфометрических параметров. Для малых озер урботерриторий выявлена корреляция физико-химических параметров воды и морфометрических показателей озер (табл. 6): прозрачности воды со средней шириной, показателем изрезанности береговой линии, средней глубиной; содержания кислорода в воде со средней глубиной.

Таблица 3. Корреляция лимнических показателей озер города Казани

Параметры Прозрачность Электропроводность Минерализация о2 Робщ.

Средняя ширина 0,70 -0,71 -0.58 -0,04 0,49

Средняя глубина 0,42 0,21 0,20 0,33 -0,18

Показатель изрезанности береговой линии -0,89 0,57 0,39 0,42 -0,38

Площадь водосбора 0,21 -0,72 -0,74 0,03 0.20

Коэффициент удлиненности -0.82 0,58 0,43 0,24 -0.45

Прозрачность 1,00 -0,66 -0,49 -0,29 0,29

Электропроводность -0,66 1.00 0,92 0.27 -0.40

Минерализация -0,49 0,92 1,00 0,02 -0,07

о2 -0,29 0,27 0,02 1,00 -0,67

Робщ 0,29 -0.40 -0.07 -0,67 1,00

Примечание: выделены результаты корреляции со степенью достоверности р<0,05

Наличие на территории города Казани озер, вода которых имеет относительно невысокую степень загрязнения, свидетельствует о возможности сохранения относительно благополучного состояния озер в условиях сильного антропогенного воздействия, сохранения слабонарушенного водосбора и зеленых зон, при контроле поступления загрязняющих веществ и сточных вод.

Глава 5. Изменение озер города Казани в условиях урбанизации

Изменения морфометрических параметров озер города Казани в условиях урбанизации. Характерной особенностью изменений морфометрических параметров озер города Казани является преимущественный размыв северных и восточных берегов озер. Вероятно, причиной, служит региональная особенность климата города, а именно преобладание в среднегодовой «розе ветров» города ветров южного и западного направления.

/——^ Контур береговой линии ^ \

/ 1 2002 г. / )

Контур береговой пинии "'- . V

2002г- \ / / J*

2012 г. /

0 100 200 м С J 0 100 200 м ^ ^ 1 1 1

оз. Изумрудное оз. Подувалье

Рис. 7. Изменение контура береговой линии оз. Изумрудное и оз. Подувалье.

Необходимо отметить, что озера расположенные на территориях, застроенных в период второй пол. XVII в. - нач. XX в.. практически не изменились в размерах, т.к. их берега были спланированы и укреплены (табл.7).

Таблица 4. Распределение озер города Казанн по группам, согласно изменениям

площади водного зеркала в период с 2002 по 2012 гг.

Группа озер Кол-во озер % от общего кол-ва озер Время заст] зойки района местоположения озер

до нач. XX в. нач. XX-нач. XXI в. Слабо застроенные территории

с не изменившейся площадью водного зеркала 95 50% 7 51 37

с сократившейся площадью водного зеркала 78 41% 0 72 5

с увеличившейся площадью водного зеркала 17 9% 0 11 6

Для озер, расположенных на территориях, застроенных с нач. XX в., более характерно сокращение площади водосбора вследствие засыпки. Например, с 2002 по 2012 гг. площади водного зеркала озер Марьино и Ротановое сократились на 26% и 11% соответственно (рис. 9). Только в Ново-Савиновском районе по данным инвентаризации с 2004 по 2007 гг. исчезло более 30% озер.

Контур береговой линии

2002 г. _2012 г.

50

100 м _I

оз. Марьино

Контур береговой линии .................... 2002 г.

- 2012 г. 50

100 м

оз. Ротановое

Рис. 8. Изменение площади оз. Марьино и оз. Ротановое за 2002-2012 гг

На незастроенных территориях всего у 5 озер отмечено сокращение площади водного зеркала, что вызвано двумя причинами: 1) заполнением котловины пролювиальными наносами Ремплерской балки (оз. Светлое, Б.Глубокое); 2) перекрытием автодорогой водосборного бассейна озер (озера системы Лебяжье), в настоящее время развивается процесс пересыхания данных озер (рис. 10).

Контур береговой линии 2002 г. 2012 г.

О 100 200 м

оз. Большое Лебяжье

Контур береговой линии 2002 г.

- 2012 г.

9 190 2р0 м

оз. Большое Глубокое

Рис. 9. Изменение площади оз. Б. Лебяжье и оз. Б. Глубокое за 2002-2012 гг.

Изменения уровенного режима и водного баланса малых озер города Казани в условиях урботерриторий. В качестве способа оценки антропогенного воздействия была выбрана динамика уровня воды озер. Исследования уровенного режима проведены для 11 озер бассейна р. Казанки (ежедневно в период открытой воды в течение 2006, 2007, 2011 гг.). Так как район исследования имеет небольшую площадь и схожие гидрогеологические и климатические условия на всех участках, то различия в уровенном режиме, таким образом, вызваны антропогенным влиянием. В сезонной динамике уровня воды малых озер средней полосы ЕЧР типичным является наличие двух максимумов (весенний и осенний) и двух минимумов (летний и зимний) уровня.

В ходе исследования выявлено, что тип уровенного режима озер зависит от показателя удельного водосбора (ф) - соотношения площади водосбора к площади

озера. Выявлено 4 типа уровенного режима: 1) «однопиковый» - при (р<0,5 характерно наличие хорошо выраженного летнего максимума при невыраженных весеннем и осеннем максимуме (рис.11): 2) «двупиковый» - при <р>1 характерно наличие выраженных двух максимумов (весенний, осенний) и двух минимумов (летний, зимний) (рис.12); 3) «трехпиковый» - при <р=1 особенностью является наличие трех выраженных максимумов уровня воды (весенний, летний и осенний) (рис.13); 4) «многопиковый» - при 0,5<<р<1 характеризуется наличием в уровенном режиме озера нескольких максимумов (рис.14). Антропогенное нарушение сезонных максимумов и минимумов уровня воды заметно проявляются при значении показателя удельного водосбора меньшем 1. В развитие концепции единства озера и его водосбора определено, что для поддержания естественной сезонной динамики уровня вод малых бессточных озер урботерриторий необходимо сохранение площади ненарушенного водосбора в минимальном соотношении 1:1 к площади озера.

Рис. 10. Изменения уровня воды оз. Марьино Рис. 11. Изменения уровня воды оз. в 2006,2007,2011 гг. (<|><0,5). М.Чайковое в 2006,2007,2011 гг. (ч>> 1).

Рис. 12. Изменения уровня воды оз. Широкое Рис. 13. Изменения уровня воды оз. в 2006,2007,2011 гг. (ч> = 1). М.Чуйково в 2006,2007,2011 гг. (0,5 < р < 1).

Трофический статус озер как индикатор изменения гидробиологических показателей озер города Казани в условиях урбанизации. В ходе инвентаризации озер города Казани выполнена типизация озер по их трофическому состоянию, с использованием трофического индекса Миллиус, расчитанного по биомассе фитопланктона. Значение индекса Миллиус для озер города Казани варьирует в широких пределах трофической 100-бальной шкалы: от 27,7 до 97,35. На территории города в настоящее время отмечаются все типы озер по трофическому статусу.

Из исследованной группы (190) всего 11 озер (5,8%) были отнесены к олиго-трофным озерам. В основном это искуственные озера, находящиеся вдали от селитебных зон. Наибольшее количество озер города Казани - 96 (50,5%) - отнесены к эвтрофным озерам. К категории мезотрофных было отнесено 51 озеро (26,8%), гипертрофных - 32 озера (16,8%). В целом для исследуемой урботерритории отмечается преобладание эвтрофного типа.

При определении трофического статуса озер, находящихся на территориях разной продолжительности застройки, выявлено, что все озера, расположенные на территориях, застраиваемых с середины XVI в. и второй половины XVII в., относятся к категории эвтрофных, на незастроенных - преобладание мезотрофных (табл. 8). Все озера города Казани, имеющие статус гипертрофных, расположены на территориях, застроенных с нач. XX в., относящихся к селитебным и промышленным зонам.

Таблица 5. Распределение озер города Казани различного трофического статуса по территориям с различной продолжительностью антропогенного воздействия

Количество озер

Начало застройки Олиго-трофные Мезо-трофные Эвтрофные Гипер-трофные Всего

С середины XVI в. - - 3 (100 %) - 3

Со второй половины XVII в. - - 4 (100 %) - 4

С начала XX вв. 7 (5,3%) 25(18,9%) 68 (51,5%) 32 (24,2 %) 132(100%)

Незастроенные территории 4 (7,8%) 26 (51,0%) 21 (41,2%) - 51 (100%)

Для крупных озер системы Кабан проблемы эвтрофирования остались в прошлом, к 1970-1980 гг. они были гипертрофированы и токсикофицированы; после проведения специальных восстановительных мероприятий состояние было доведено до умеренно загрязненных, эвтрофных озер.

Полученные результаты подтверждают, что лимногенез озер города Казани идет в сторону интенсивного антропогенного эвтрофирования, что приводит к неустойчивому или неблагополучному состоянию озер. Для территорий, застраиваемых в XVI-XVIII вв., количество озер минимально, прежде существовавшие здесь многочисленные пойменные озера погребенены под мощными

насыпными грунтами, а оставшиеся озера были гипертрофированы и токсикофицированы, и специальными восстановительными мероприятиями состояние этих озер оптимизировали до эвтрофных водоемов.

Очевидна тенденция увеличения уровня трофности озер при застройке территорий, трофический статус озер фактически является индикатором изменения их состояния в условиях урбанизации. Высокий трофический статус определяет необходимость проведения мероприятий по восстановлению озер города Казани.

Рекомендации по улучшению экологического состояния озер города Казани.

Проведенное исследование выявило признаки экологического неблагополучия для значительного количества озер города, что определяет необходимость проведения мероприятий, направленных на улучшение экологического состояния озер.

На основе результатов исследования озер разработаны критерии оценки экологической ситуации, предложены мероприятия по улучшению экологического состояния водоемов для каждой группы. Все озера города Казани были разделены на 4 группы по состоянию. Для каждой группы разработаны рекомендации по профилактическим и реабилитационным (восстановительным) мероприятиям.

Для озер первой группы (в критическом состоянии) необходимы собственно восстановительные, специальные реабилитационные мероприятия. На примере оз. Средний Кабан сделана эколого-экономическая оценка мероприятий, которые должны включать в себя три этапа: 1) первоочередные подготовительные работы по очистке и благоустройству озера; 2) гидротехнические мероприятия; 3) биотехнические мероприятия (биологическая рекультивация). Общая стоимость работ составит около 4,1 млрд. руб.

Для второй группы озер (в неблагополучном состоянии) рекомендуются профилактические и восстановительные мероприятия: как изъятие затонувших отходов, берегоукрепление, благоустройство берегов, аэрация придонных слоев.

Для озер третьей группы (в относительно благополучном состоянии) необходимо осуществлять профилактические мероприятия для поддержания экологического состояния: санация побережий и мелководий, соблюдение режима водоохраной зоны, не допущение попадания сточных вод, сохранение водно-болотной и древесной растительности и др.

Для озер четвертой группы (в благополучном состоянии) необходимо осуществлять мероприятия по экологическому контролю, соблюдению режима водоохраной зоны.

Выводы

1. Развитие города Казани привело к росту количества озер вследствие включения природных озер прилегающих территорий и образования антропогенных озер на территории города (с 4 озер в 16 в. до 190 в нач. 21 в., из которых 54 озера имеют антропогенное происхождение). Появление озер антропогенного происхождения определяется условиями приустьевого и припойменного расположения города и повышения уровня грунтовых вод под действием затопления и строительства. Длительно существовать в условиях урботерриторий умеренной зоны способны лишь относительно крупные (более 40 га), природные озера.

2. На территории города Казани формирование озерных котловин обусловлено 7 факторами природного происхождения (ветер, температура, атмосферные осадки, течения и волнения, сток воды и наносов, подземные воды, состав горных пород) и антропогенным фактором. Формирование и развитие озерных котловин происходит в условиях слабых неотектонических движений и выраженных экзогенных процессов. С учетом данных факторов разработаны схемы формирования и развития озер в рамках развития теории озерного морфолитогенеза.

3. По предложенной генетической классификации на территории города Казани было выделено 10 групп озер: карстовые, суффозионные, суффозионно-карстовые, старичные, пойменные, дельтовые, озера-копани, озера-запруды, карьерные озера, озера дренажных вод; преобладают озера пойменного (16,5 %) и суффозионного (18,9%) происхождения.

4. На территории города Казани выявлено 190 разнотипных озер, общей площадью 5,71 км2, с преобладанием очень малых озер площадью 0,1-0,5 га (42,9%), средней глубиной до 1 м (74,9%), объемом водной массы 1-10 тыс. мЗ (43,4%), площадью водосбора до 1 га (65,2%). Озерность территории города составляет 1,38%, водные ресурсы озер незначительны (0,02 км3).

5. По гидрохимическому режиму преобладают озера с гидрокарбонатно-кальциевым (45%) и сульфатно-кальциевым (25%) типами вод, со средней и повышенной минерализацией. Качество воды озер неблагополучно, степень загрязнения по ряду физико-химических показателей для большинства озер характеризуется категориями «загрязненных» и «грязных» вод.

6. Для озер города Казани по статистически выявленным взаимосвязям определена зависимость прозрачности воды от средней ширины озер (чем больше ширина, тем больше прозрачность). Выявленная зависимость указывает на роль зоны контакта «вода-суша» и водосбора озера в формировании качества воды, соответствует концепции озера и его водосбора как единой системы.

7. В условиях исследования уровенного режима модельной группы озер (со сходными гидрогеологическими и климатическими условиями) выявлено 4 типа сезонной динамики, зависящих от соотношения площади водосбора к площади озера (удельного водосбора). Характерный для малых озер умеренной зоны Европейской части России тип сезонной динамики уровня вод наблюдается при минимальном соотношении площади ненарушенного водосбора к площади озера 1:1.

8. Лимногенез озер города Казани направлен в сторону интенсивного антропогенного эвтрофирования, по трофическому статусу преобладают эвтрофные и гипертрофные озера, что определяет необходимость применения среди мероприятий экологической реабилитации методов, направленных на снижение трофического статуса за счет удаления биомассы макрофитов и водорослей.

9. По предложенным критериям оценки экологической ситуации озера города Казани разделены на 4 группы: 1) озера в критическом состоянии (необходимы восстановительные мероприятия); 2) озера в неблагополучном состоянии (необходимы профилактические и восстановительные мероприятия); 3) озера в относительно благополучном состоянии (необходимы профилактические мероприятия); 4) озера в благополучном состоянии (необходим экологический контроль).

10. Разработаны рекомендации по проведению комплекса профилактических и восстановительных реабилитационных мероприятий городских озер, которые включают очистку дна от загрязненных донных отложений, экранирование, принудительную аэрацию придонных слоев, берегоукрепление габионными конструкциями или залужением, изъятие излишней биомассы водной растительности, посадку макрофитов, создание биоплато из растений и моллюсков, благоустройство и озеленение водоохранных зон и др.

Список работ опубликованных по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Шарифулин А.Н., Палагушкина О.В., Павлова Л.Р., Мусин А.Г. Зависимость физико-химических показателей воды озер урбанизированных территорий от морфометрических параметров / География и природные ресурсы, № 1, 2010, - С. 177-179.

2. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Мусин А.Г. Особенности морфологии котловин озер г. Казани / Вестник Татарского государственного гуманитарно-педагогического университета, №2, 2011, - С. 66-71.

3. Шигапов U.C. Гидрохимические, гидрофизические показатели воды и трофический статус как индикатор экологического состояния озер г. Казани / Вода: Химия и экология, №6, 2013. - С. 22-27.

В других изданиях:

4. Шигапов U.C., Мусин А.Г., Мингазова Н.М. Колебание уровня малых озер урбанизированных территорий (на примере водоемов Ново-Савиновского района г. Казани) / Журнал экологии и промышленной безопасности (Вестник Татарстанского отделения РЭА). - № 2, 2007, - С.48-54.

5. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Мусин А.Г. Виды воздействия градостроительства на водные объекты на примере г. Казани / Журнал экологии и промышленной безопасности (Вестник Татарстанского отделения РЭА). - Казань, 2007, № 3, - С.86-90.

6. Шигапов U.C. Методика организации наблюдения за колебаниями уровня воды на малых озерах Ново-Савиновского района г. Казани в 2006 г. / Журнал экологии и промышленной безопасности (Вестник Татарстанского отделения РЭА). - Казань, 2007. № 3, - С.18-19.

7. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Мусин А.Г. Воздействие градостроительства на водные объекты г. Казани / Природно-ресурсный потенциал Республики Татарстан и сопредельных территорий: Матер, всерос. научно-практ. конф., посвящ. юбилею докт. геогр. наук, проф. А.Г. Мусина - Казань: Изд-во 111 НУ, 2007. - С. 32-41.

8. Шигапов U.C., Мусин А.Г., Мингазова Н.М., Шарифуллин А.Н. Водные объекты г. Казани как следствие взаимодействия общества и природы / Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России. Матер, всерос. научно-практ. конф., посвящ. 120-летию образования каф. физической географии и этнографии в Казан, ун-те. - 4.1. - Казань, 2008, с.296-300.

9. Шигапов U.C., Мусин А.Г. Влияние внутренних водоемов на экологическую ситуацию г. Казани / Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Матер. III междунар. науч. конф. - М.; Белгород: ИПЦ «ПОЛИТЕРРА», 2008. - ч.2. - С. 154-156.

10. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Мусин А.Г. Распределение озер г. Казани относительно геоморфологических элементов // Проблемы охраны вод и рыбных ресурсов Поволжья. Матер. V Поволж. гидроэкол. конф. - Казань, 2009, - С. 146-148.

11. Шигапов U.C., Мусин А.Г., Мингазова Н.М. Физико-географические факторы формирования озер г. Казани / Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований. - Тр. Всерос. научн. конф. -Казань, 2009, т.З, - С.320-324.

12. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Деревенская О.Ю. К изучению водного баланса озера Средний Кабан г. Казани // Сб. матер. Конгресса «Чистая вода Казань». -Казань, 2010, - С. 330-334.

13. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Шарифулин А.Н., Мусин А.Г. Генетическая классификация озер г. Казани / Журнал экологии и промышленной безопасности (Вестник Татарстанского отделения РЭА). - № 1, 2010. - С.41-48.

14. Шигапов U.C., Мингазова Н.М., Шарифуллин А.Н., Палагушкина О.В., Деревенская О.Ю., Павлова Л.Р., Набеева Э.Г. Особенности формирования и развития озер г. Казани / Матер, докл.в науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Х.М. Курбангалиевой. - г. Казань, 11 мая 2010 г. - Казань: Казан, гос. ун-т, 2010. - С.90-92.

15. Набеева Э.Г., Мингазова Н.М., Шигапов U.C. Восстановление озера Средний Кабан г. Казань // Тез. докл. межд. научн. конф. «Проблемы экологии. Чтения памяти проф. М.М. Кожова» - Иркутск: изд-во Иркут. госун-та, 2010, с. 434.

16. Деревенская О.Ю., Мингазова Н.М., Шигапов U.C., Павлова JI.P., Набеева Э.Г., Ахатова В.М., Зарипова Н.Р., Замалетдинов Р.И., Юпина Г.А.. Павлов И.Ю.. Назаров Н.Г., Халиуллина Л.Ю., Мингалеев P.P. Состояние компонентов экосистем озер системы Подувалье и водно-болотного комплекса за пос. Мирный (г.Казань) / Сб. матер. Конгресса «Чистая вода. Казань». - Казань, 2011, - С.49-52.

17. Шигапов U.C. Факторы формирования озерных котловин на территории города Казани / Материалы докладов IV Международного конгресса «Чистая вода. Казань». -Казань: Нижне-Волжское бассейновое водное управление ФГУ «Средволгаводхоз», 2013.-С. 169-172.

Напечатано в «Оперативной типографии Капринт» Казань, ул. Тази Гиззата, д. За, т. (843) 290-61-08 Подписано к печати 15.11.14г. Тираж 100 экз. Усл. п. л. 1. Заказ №1411/20143 Бумага офсетная. Печать ризография.