Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Потребление кислорода донными отложениями водохранилища долинного типа

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Потребление кислорода донными отложениями водохранилища долинного типа"

^ \ 1&0СЖ0ВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ^ им- м в- ЛОМОНОСОВА

и

Географический факультет

На правах рукописи

ЛОМОВА ДИАНА ВЛАДИСЛАВОВНА

УДК 556.55:574.52

ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ ВОДОХРАНИЛИЩА ДОЛИННОГО ТИПА

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Институте, водных проблем РАН (ИБП РАН)

Научный руководитель: *

доктор географических наук М.В.Мартынова

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, с.н.с. В.С.Савенко кандидат географических наук, с.н.с. Г.С.Шилькрот

Ведущая организация - Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) -

Защита состоится " " г

в часов на заседании диссертационного совета Д-053.05.30 в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу:- . - . - . ......

119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, ¡ЛГУ, географический факультет. 18 этаж. ауд. 18-01. '

С диссертацией можно ознакомиться, в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан " ^ " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

в МГУ, кандидат географических наук С.Ф.Алексеева

ОВЗАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Проблема антропогенного эвтрофи-рования вод суши, следствием которого служат такие негативные явления как ухудшение качества воды, заморы, обеднение видового состава рыб, невозможность использования водохранилищ для водоснабжения и рекреации, становится все острее (Хендерсон-Селлерс Б..Маркленд Х.Б.,1990). Один из показателей уровня загрязнения природных вод - кислородный режим-водоема. Содержание в воде растворенного кислорода в значительной степени контролирует направление л интенсивность химико-биологических процессов в водоеме. Фактором, существенно влияющим на кислородный режим водного объекта, нередко служат донные отложения. Количественная оценка процесса потребления кислорода на~ границе раздела "вода-донные отложения" позволяет составить более точный баланс кислорода в водоеме и дать более достоверный прогноз качества воды водохранилища. В качестве объекта исследования было выбрано Можайское водохранилище долинного типа, являющееся одним из источников водсс-* набжения г.Москвы, прогноз воды для которого весьиа существенен.

ДЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель исследования - выявить закономерности пространственно-временной изменчивости потребления кислорода донными отложениями водохранилища долинного типа, оценить значимость этого процесса в регулировании содержания кислорода в водоеме. Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи:.. 1) исследовать пространственную изменчивость интенсивности потребления кислорода донными отложениями; 2) изучить особенности сезонного изменения потока Ог б отложения; 3) выявить факторы, наиболее сильно влияющие на процесс поглощения кислорода дном водоема и установить их приоритетность в различные сезоны года; 4) определить влияние донных отложений на кислородный режим водохранилища: оценить вклад грунтов в общее потребление Ог в водоеме. ,

МЕТОДИКА. ИССЛЕДОВАНИЙ И ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. В основу работы положены детальные полевые и лабораторные исследования, выполненные, автором на Можайстм водохранилище в 1991-1594 годах. Болевые исследования проводились на Красновидовской базе Лаборатории по изучению водохранилищ кафедры гидрологии сует географического факультета МГУ. Работа выполнялась в лаборатории "Экспериментальной гидрофизики" ИБП РАН.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна определяется следующими результатами: 1) впервые проведены круглогодичные наблюдения за потреблением кислорода донными отложениями в водохранилище долин-

- 2 - • вото типа; 2) установлена приоритетность Факторов, регулирующих пространственную изменчивость потребления' кислорода отложениями в различные сезоны года; 3) показана связь интенсивности этого процесса с морфологическим строением дна долинного водохранилища;— 4) разработана методика . оценки вклада донных отложений в общее потребление кислорода в долинном водохранилище с, учетом пространственно-временной неоднородности потока кислорода, направленного в дно. 4 s

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Получены подробные данные о потреблении кислорода донными отложениями в долинном водохранилище в различные сезоны года, что позволило выявить основные факторы, определяющие пространственную неоднородность распределения потоков кислорода в дно. Предложен оригинальный способ расчета потерь кислорода на границе "вода-донные отлс-жения" д^я водохранилища долинного типа. Представленные материалы могут быть использованы при решении практических задач: моделировании режима растворенного кислорода в долинных водохранилищах; оценке опасности возникновения зимних заморных явлений, прогнозировании качества воды, организации экологического мониторинга, разработке мер для зашиты водохранилищ - источников водоснабжения от эвтро-фирования и охраны их водных и биологических ресурсов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ- Материалы диссертации обсуждены на расширенном межлабораторном семенаре ИВП РАН, семинарах кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ в 1993-1994 годах.

ПУВЛИКАШШ. По результатам исследовании опубликовано 4 работы (одна из них депонирована). Одна статья находится в печати.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на ¿Й/^-страницах машинописного текста, содержит таблиц, иллюстрирована,*^ рисунками. В списке литературы 164 названия', из которых 85 на английском языке. " . ■

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность исследований процесса поглощения кислорода на границе "вода-донные отложения". Приводятся -цель, задачи и другие сведения о диссертационной работе.

В первой главе дается обзор работ, посвященных исследованию потребления кислорода донными отложениями водоемов (sediment oxygen demand, иди.SOD). Анализируются методы определения величины потока кислорода в дно. Показано, что, несмотря на популярность

измерений, выполняемых непосредственно в водоеме, лабораторные опыты с колонками ила сохраняют ряд преимуществ, так как а) имеют высокую воспроизводимость результатов; б)^ позволят варьировать температурные, кислородные и .другие условия в процессе опыта; в) позволяют производить практически одновременно большое число, лвиерени« интенсивности исследуемого процесса по площади водоема.

Подробно рассматриваются основные факторы, влияющие на поглощение кислорода донными отложениями: толщина слоя донных отложений, динамика придонного слоя воды, содержание в донных отложениях микро- и макробентоса, температура придонного слоя воды и содержание в нем кислорода, а также концентрация в донных отложениях органического вещества. Отмечается, что встречающиеся несоответствия результатов, полученных различными авторами (в частности, зависимостей SOD от температуры и содержания В' придонном слое води 0?.) (Бреховских В.Ф. ,1988), связаны с различиями в методиках о.гспериментов. При проведении опытов в лабораторных условиях используются пробы ила с конкретным бактериальным ценозом, существующим в водоеме в момент взятия пробы. При этом искусственное воздействие на или разных температур ихв иных факторов вскрывает потенциальные возможности этих биоценозов, а не их действительное функционирование в водоеме (в реальных условиях колебания SOD при изменении одних факторов окрулащей среды происходят на. фоне изменения других). При сезонных же наблюдениях используются пробы донных отложений с конкретными бактериальными ценозами, которые меняются в течение года.

Обзор показывает, что потребление кислорода донными отложениями мажет вносить значительный вклад в расход Oz в водоеме в целом (до 40-50% от общего расхода в водоеие (Несмеянов С.А. ,1950; Hartes B.N. .Irvine R.L.,1968; Мартынова M.B. .Жукова T.B.,Жуков Э.П. ,1990), а иногда в 2-4 раза превызжт его потребление в столбе воды (Burns N.M. ,1970)), поэтому опенка его величины при составлении баланса кислорода крайне желательна.

Во второй главе даны краткие сведения об исследуемом водоеме. .Можайское водохранилище - типичный водоем Вазузско-Москворец-кой водной системы - одного из главных источников водоснабжения г.Москеы, созданное в I960 г., расположено в долине р.Москвы в 62 км от ее истока. Протяженность водохранилища 23 км; площадь акватории при ¡ШГч.30,7 км2; объем 0,24 км3; максимальная'глубина 22 м, средняя - 7,7-м; максимальная ширина 2,6 км, средняя -1,1 км; средний размах колебаний уровня воды в течение годового

- 4 - ,

цикла 6 ы. Средний годовой коэффициент водообмена Можайского водохранилища равен 1,8 (Комплексные исследования водохранилищ, 1979). -

Ряд свойств, которыми обладает водоем, облегчают решение поставленных задач, а именно: 1) он относится к водохранилищам долинного типа, относительно глубоководен, с четко выраженной продольной асимметрией чаши; 2) сортировка взвешенных частиц; формирувдих донные отложения, обусловливает закономерное распределение по длине водохранилища различных типов грунтов; 3) водохранилище осуществляет многолетнее регулирование стока и характеризуется слабым водообменом; 4) небольшие размеры водоема позволяют обследовать его методом гидрологической съемки в течение светлой части суток; 5) .хорошая гидрологическая, гидрохимическая и гидробиологическая изученность водохранилища обеспечивают комплексный подход при интерпретации результатов.

Приведены подробные сведения о режиме растворенного кислорода в водоеме, особенностях распределения и состава взвешенного вещества в водоеме, распространении по площади дна различных типов донных отложений,, поскольку эти показатели гидрологического режима водоема непосредственно воздействуют на процесс потребления кислорода донными отложениями.

В третьей главе подробно изложена комплексная программа-исс.-" -ледований, которая включала:

1) методические разработки: сравнение величин SOD, получаемых с помощью двух типов дночерпателей; определение точности метода В.И.Романенко при работе с этими дночерпателями; изучение скорости поглощения кислорода донными отложениями в зависимости от продолжительности опыта;

2) комплексные гидролого-гидрохимические съемки водохранилища во все сезоны года для изучения пространственной и временной изменчивости SOD;

3) грунтовые съемки водохранилища для выявления влияния типа грунта на величину потока кислорода в дно.

На границе раздела "вода-донные отложения" существует тонкий . переходный слой, контролирующий процессы массообмена между водой и грунтом. Разрушение этого слоя, а .точнее нарушение поверхности отложений вследствие их взмучивания при отборе проб, может существенно завысить оценку потока кислорода в донные отложения. Поэтому при определении величины SOD важной задачей становится

получение колонки грунта с ненарушенной структурой осадка. Обычно для отбора грунта используется -дночерпатель Экмана-Берджа (Рома-ненко В.И., Кузнецов С.И.,1974). Кроме него в работе была использована новая модель дночерпателя - ДА-3 (дночерпатель автоматический) с герметически закрываемым пробоотборником (рис.1).

На двух станциях Красновидовского плеса,, отложения которых • представлены темно-серым и серым песчанистым илзми, соответсвен-но, выполнялась серия работ, позволившая сопоставить воспроизводимость результатов, получаемых при отборе проб ДА-3 и дночерпа-телем Зкмана-Берджа.- С каждой станции отбиралось по 10 стеклянных трубок с'образцами грунта из двух дночерпателей: Экмана-Берджа и ДА-3. В лаборатории в отобранных трубках методом В.И.Романенко определялись величины потока кислорода в донные отложения. Средние величины потока кислорода в донные отложения, полученные как при использовании дночерпателя Зкмана-Берджа, так и при использовании ДА-3, по 10 измерениям оказались близкими по значению: 461 и 462 мг/м2сут для русловой ложбины и 190 и 191 мг/м2сут для склона речной долины. Однако размах колебаний величины SOD при работе ДА-3 оказался почти в 2 раза меньше, чем при использовании дночепрателя Зкмана-Берджа. Средняя.погрешность измерения величины SOD при использовании дночерпателя Зкмана-Берджа составила 18% как для русловой ложбины, так и для склона долины, а при использовании ДА-3 - лишь 8-9%. Т-. е. дночерпатель ДАтЗ позволяет получать более достоверные величины SOD. Оказалось, что чем плотнее грунт, тем лучше сходимость результатов определений, получаемых при использовании двух разных пробоотборников (меньше нарушение грунта вследствие его взмучивания).

Для подтверждения правомерности использования .лабораторного метода трубок, по В.И.Романенко, т.е. без перемешивания воды, для-водохранилища с замедленным водообменом (к каковым относится и Можайское водохранилище) был проведен эксперимент по определению суточной динамики поглощения кислорода донными отложениями. На 29 часов была установлена серия трубок с грунтами, отобранных на русле Красновидовского плеса (использовался дночерпатель ДА-3). Через заданные интервалы времени (рис.2) в лаборатории в трубках определялась величина потока кислорода в грунт.

Параллельно с изучением суточной динамики потребления кислорода грунтами был "'поставлен эксперимент по определенна этой величины стандартным методом В.И.Романенко (при суточной экспозиции).

Потребление кислорода грунтом оказалось равным 470,4 мг/м2сут.

<

Общий вид дночерпателя ДА-з.

Разница между величиной потребления Ог донными отложениями в водохранилище. определенной путем суммирования интенсивностей поглощения кислорода за каждый час эксперимента (643 мг/м2сут) и при определении стандартным методом В.И.Романенко (470 мг/м2сут), составляет 37£. Более высокие значения SOD в первом случае обус-• ловлены учетом максимальных значений в первые часы эксперимента, KOTopL,-, по-видимому, обусловлены нарушением "равновесия" системы "вода-дно" в момепг заполнения трубок придонной водой в лаборатории. Реальную интенсивность поглощения кислорода донными отложениями характеризует участок кривой с 8 по 24 час опыта.

Процесс истощения запасов кислорода в придонном слое за счет SOD удовлетворительно описывается-кинетическим уравнением необратимой реакции первого порядка:

dC02]/dt = -КСО2З. (1)

где к - константа скорости реакции.

Откуда по экспериментально полученным данным были рассчитаны значения констагеы скорости реакции к за 24 часа опыта. Среднее значение константы скорости реакции за время .суточного эксперимента оказалось равным 0,056. На рисунке 2 приведены результаты расчетов величины SOD по уравнению (1), с использованием полученной константы скорости реакции. Отклонение экспериментально полученных значений SOD or рассчитанных на основе кинетического уравне-. ния реакции, первого, порядка оказались невелики:... в .среднем,, расхождения составляют 33Z. от расчетных величин.

Sod

fsf

оО-

So-

40 ■

30

2D-

10

1 -экспериментальные

данные;

2 -рассчитанные по

уравнению (1).

14

п <1

гч гб 2j

Рис.2 Динамика поглощения Oz донными отложениями.

TiV'acJ

Таким образом, при правильно выбранной экспозиции эксперимента, лабораторный метод В.И.Романенко позволяет получить реальные величины SOD для исследуемого грунта в водоеме с замедленным водообменом, что согласуется с заключением, сделанным ранее А.Н.Дзюбаном (Дзюбан А.Н.,1987) для Рыбинского водохранилища.

• В'главе также изложен Порядок работ и орисаки измерения,'выполненные при проведении гидролого-гидрохимических и грунтовых съемок водохранилища. Было проведено 9 гидролого-гидрохимических-съемок Можайского водохранилища, отобрано и обработано более 300 проб донных отложений (определено содержание в грунтах органического вещества и гигроскопической влажности) к 650 проб воды (определено содержание растворенного кислорода и проведены эксперименты по определению деструкции органического вещества в воде). Поставлено около 400 экспериментов по измерению величины потока Ог в донные отложения, а также по определению соотношения химического и биологического потребления кислорода донными отложениями, доли аэробной деструкции от общего распада органического вещества .в отложениях. Все анализы сделаны лично автором в Лаборатории по изучению водохранилищ. *

В четвертой главе изложены результаты исследований пространственно-временной неоднородности, распределения плотности лотог ка кислорода в донные отложения Можайского водохранилища. На основе корреляционного анализа были выявлены факторы, оказывающие решающее влияние на пространственную (вдодь водоема) неоднородность величины SOD в различные сезоны'года.

Для долинного водохранилища характерно закономерное распределение различных типов грунтов от верховьев к плотине и от берегов к .русловой ложбине. Компоненты с наименьшей плотностью (планктонный детрит, илистые частицы) сносятся и накапливаются -в русловой ложбине. Вблизи берега, на небольших глубинах затопленной поймы сортировка материала хуже,, неоднородность свойств донных отложений больше, что затрудняет сравнение получаемых результатов, поэтому величины потока кислорода в донные отложения русловой ложбины и пойменных участков рассматривались ^отдельно.

ОСЕНЬЮ основным фактором, контролирующим пространственную неоднородность величины SOD для илов русловой ложбины служит температура придонного слоя воды, которая, в свою очередь, оказывает влияние на интенсивность' жизнедеятельности микроорганизмов в верхнем слое донных отложений (г=0,67±0,13). За счет этого SOD

иловых отложений русловой ложбины возрастает от верховьев к прип-лотинному участку водохранилища со 170 до 385 мг/м2сут. Концентрация кислорода в воде в осенний период не оказывает существенного влияния на SOD.' Отсутствие в водоеме устойчивой температурной стратификации в это время создает благоприятные условия для перемешивания водной толщи до дна и аэрации придонных слоев воды на • всех участках водохранилища. Даже в приплотинном плесе" насыщение воды кислородом у дна достигало 62%, а в верховьях составляло 81% (22.10.91). ' .

В осенний период донкые отлокения верхнего, среднего и нижнего районов различаются по содержанию органического вещества (6-7% и , около 9%, соответственно). В этом же направлении увеличивается и плотность погска кислорода в донные отложения, поэтому, можно предположить „что содержание в грунтах органического вещества гакже оказывает некоторое влияние на изменение интенсив-v ности деструкциоячых процессов в илах русловой ложбины вдоль водохранилища в осенний период.

ЗШОЙ ыбксккэльпые значения потока кислорода в донные отложения отмечены з прютстинном плесе (180 мг/м2сут). На других участках водохрантшгда величины SOD значительно ниже и составляв? • около 30-100 мг/м2сут. для этого периода получена хорошая корреляционная связь между. SOD и содержанием в .донных отложениях орга- . нического вещества (коэффициент корреляции г=0,93±0,2). Увеличение содержания органического вещества в зерхнем слое иловых отложений рус.исвой ложбины с в верховьях до 9% у плотины сопровождается повышением SOD у плотины почти в два раза по сравнению с SOD в других районах водохранилища.

ВЕСНОЙ поток кислорода в донные отложения практически одинаков по всему водоему и составляет 250-280 мг/м2сут. Концентрация-кислорода в воде в весенний период не оказывает влияния на пространственную изменчивость SOD ввиду хорошей аэрированаости водной толщи в это время. Основным фактором, контролирующим колебания величины потока кислорода в донные отложения от верховьев к плотине, становится наличие легкоусвояемого органического вещества в грунтах. Влияние температуры придонной воды на SOD проявляется через воздействие этого фактора на интенсивность деструкционных процессов в водной толще, которые, в свою очередь, контролируют поступление в отложения легкоокисляемого органического вещества.

ЛЕТОМ наибольшие колебания отмечаются для величин потребления кислорода илами русловой ложбины в верхнем районе водохрани-

лица. Здесь наблюдаются ' как максимальные значения, характерные для летнего сезона (до 550 мг/м2сут), так и минимальные (100 мг/м2сут). Основными факторами, контролирующими в этот сезон поток кислорода в грунт, служат недостаток легкоокисляеыого органического вещества в верхнем слое донных отделениях и малое содержание кислорода у дна. Их причиной является деструкция органического вещества в столбе воды, интенсивность которой контролируется температурой придонного слоя.

* Распределение SOD по длине водохранкшйца на затопленной высокой пойме во все сезоны повторяло особенности распределения потока кислорода в донные отложения русловой ложбины, однако размах --колебаний величины SOD на пойме по длине водоема в течение года меньше, чем для илов русловой. ложбины.

В Можайском водохранилище, как и в других водоемах умеренной зоны (Дзгобан А.Н.,1979; Драбкова В.Г.,1981), внутригодовые колебания SOD превышают пространственные. Основным фактором, определяющим сезонные колебания величины потока Oz в донные отложения в большинстве случаев служит изменение температурных условий в водоеме и связанной с ними интенсивности деструкции органического вещества в воде и отложениях. Наибольшая, временная изменчивость SOD отмечается для верхнего района водохранилища;, .наименьшая -для приплотинного участка. ' : t " .'■-■;■■.

-' • Пространственная изменчивость SOD максимальна зимой: даже небольшое увеличение температуры придонного слоя воды при низких ее значениях в это время года может значительно увеличивать интенсивность деструкционных процессов как в придонной воде, так и в верхнем слое донных отложений. Сказанное подтверждается соотношением химической и биологической составляющих SOD (определение доли химического потребления кислорода проводилось по методике (Романенко В.И., Кузнецов С.И.,1974)). Для илов Можайского водохранилища доля химического потребления от общего колеблется от 15 до 39%, и в среднем составляет 30% от величины SOD (табл.1). Зимой затраты кислорода на химическое окисление, органического .вещества в грунтах несколько выше (32%), чем в весенний период, когда доля химического потребления составляет 29% от общего SOD. Около 70% кислорода потребляется донными отложениями за счет биологических процессов.

В главе также даются сведения о соотношении аэробной и анаэробной деструкщш органического вещества в илах Можайского водохранилища (габл.1). Весной доля аэробной деструкции органического

Таблица 1

ДЕСТРУКЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ МОЖАЙСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА (ДЛЯ ИЛОВ РУСЛОВОЙ ЛОЖБИНЫ).

Район водохра нилшпа SOD, мгОг/м2сут Деструкция,мгС/м2сут

биологическое химическое аэробная1 . анаэробная

ЗИМА

верхний 66,5 21,3 38,5 58,0

средний 63,2 40,8 45,8 81,7

нижний 51,6 j 50,1 38,0 40,1

В Е С Н А

верхний 210,2 52,5 115,6 131,7

средний 256,3 83,9 144,6 160,3

низший 178,0 33.2 117,1 152,4

Л Е Т 3

верхний - 195,3 211,6

средний - - 197,0 256,0

нижний - • - 143,6 " 440,6 " -

0 С Е Н э

верхний - - 115,1 114,5

средний - - 168,9 221,6

низший - - 142,5 185,1

Таблица 2

ВКЛАД ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ОБЩЕЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ВОДОХРАНИЛИЩЕ (ПОТРЕБЛЕНИЕ В СТОЛБЕ ВОДЫ + SOD).

Район водохранилища ОСЕНЬ ЗИМА ВЕСНА ЛЕТО

Верхний 18-217. 40Z 5Z. 3-7 7.

Средний 5-137. 5-87. 7Z 1-4Х

Нижний1 3-67. 127. 4-5 7. <1Z

: - 12 -вещества от общей максимальная за год, при этом наибольшие ее величины наблюда-йся в верхнем и среднем районах водохранилища (до ■ 50%), вследствие отсутствия в водоеме температурной стратификации и насыщения, кислородом придонных слоев воды до 99-102%..

Доля анаэробной деструкции в целом г.о водохранилищу возрастает в периоды устойчивой температурной стратификации. Зимой со- . отношение между аэробной .и анаэробной деструкцией органичэскогс вещества в идах остается постоянным по всгй длине водохранилища. -Летом роль анаэробной, деструкции органического вещества существенно возрастает от верховьев к плотине. Доля аэробной дестругаин в приплотинном плесе уменьшается'до 19%. В целом для Можайского водохранилища аэробная деструкция органического вещества в улах в среднем составляет 43% от общей.

Чтобы ориентировочно оценить вклад, вносимый докными отложениями Можайского водохранилища в общее суточное потребление кислорода в водоеме, параллельно с измерениями SOD проводились определения величины деструкции органического вещества в водной толще. Для каждой станции было рассчитано потребление кислорода в столбе воды над 1 м2 площади дна и оценен вклад донных отложений в общее потребление кислорода на станции, которое складываемся из потребления в столбе воды и в. донных отложениях. Результаты представлены в таблице 2. Было получено, что наименьший вклад донные отложения вносят летом, наибольший - зкмой, когда низкая-' температура воды в сокращающемся из-за сработке объеме воды водоема тормоит жизнедеятельность микроорганизмов е воде. За счет этого возрастает относительная доля SOD в грунтах (до 40Z в верхнем районе).

В пятой главе рассмотрена связь величины SOD с элементами рельефа дна долинного водохранилища. ПсказаЕО, что в долинном водохранилище каляому морфологическому элементу рельефа дна (речное русло, низкая пойма, высокая пойма и надпойменная терраса, переходящая в склон речной долины) соответствует' определенный тип донных отложений (табл.3). Исследования на Можайском водохранилище показали, что соотношения между величинами SOD. характерными для каждого типа отложений, постоянны по всей длине водоема во все сезоны года. Максимальное потребление отмечается для илоз русловой ложбины, минимальное - для песков надпойменной террасы. Величина SOD на высокой пойме составляет относительно SOD в русловой ложбине 30-45% для любого-конкретного момента времени; а на

Таблица 3

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА РАЗЛИЧНЫХ ШРФОЛОГИЧЕСКИХ УЧАСТКАХ ДНА МОЖАЙСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА (по данным летних грунговыхвых съемок 1991-1994 годов).

Участок гигроскоп влажность <1,2 Содержание 0В.7. Вид отложений 500. >АГ/ЫСуТ (ЯЗОср)

Русловая ложбина (русло и низкая пойма) 3,0-4,4 8,2-10,4 Рыхлый темно-серый ил с черными прослойками 246-570 (455)

Высокая пойма 3,2-4,0 6,9-8,7 Слабоуплотненный темно-коричневый (или серый) песчанистый ил 134-352 (185)

надпойменная терраса 0,8-1,5 1,7-2,4 Заиленный песок 20-53 (35)

Таблица 4

ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ МОЖАЙСКОГО И ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩ (в то2/сут).

ОСЕНЬ ЗИМА ВЕСНА ЛЕТО

' Можайское 3,5'. 0.8 '3.1 4,2

Иваньковское 13,0 - 10,5 13,7

Таблица 5

СКОРОСТЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ НЕКОТОРЫХ ВОЛЖСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ (ДЛЯ ЛЕТНЕГО ПЕРИОДА). -

Водохранилище Скорось потребления кислоода, мг/м2сут ' Источник

Минимальная Максимальная

Саратовское 28 338 (Ярушек Н.Е., 1973,1978)

Волгоградское 277 461 (Ярушек Н.Е., 1978)

Куйбышевское 128 423 (Дзюбан А.Н., 1979)

Можайское 20 525 (по данным автора)

террасе - всего 6-9% от величины потребления кислорода отложениями русловой ложбины. Найденные закономерности легли в основу, методики оценки потерь кислорода за счет потребления его донными отложениями водохранилища долинного типа. Зная величину SOD, характерную. для каждого типа грунта и площадь дна, заняту;: этим грунтом, можно оценить потребление кислорода донными отложениями для водохранилища в целом или для отдельных его районов по Сточу-ле:

Потребление Ог грунтами = Грд*50ВрЛ+ -Fr*S0Dn+ Fx*SODr. Площади отдельных . морфологических элементов определялись по са-тиграфическим кривым водохранилища.

Наименьшее количество кислорода потребляется донным1! отложениями Можайского водохранилища зимой - 0,8 тОг/сут; наийильтаее -летом (при условии, что в верхнем районе отмечается максимальные величины SOD) - 4,2 тОг/сут. В остальные периоды грунты в среднем потребляют 3,1 - 3,5 тОг/сут (табл.4).

Максимальный вклад в потребление кислорода донными отложениями водохранилища вносит приплстинный район при наименьшей внут-ригодовой изменчивости величины SOD здесь. Зимний вклад припло-тинного района (42% площади водохранилища) в общее потребление кислорода донными отложениями достигает 58%, в остальное время составляет 38-44%.

Минимальный вклад, в потребление кислорода донными отложениями водохранилища вносит верхний район Можайского водохранилища (25% площади водоема). Его грунты потребляют от 5% (зимой) до 16-27% (в остальное время года) от общего по водоему.

В течение года соотношение между вкладом русловой ложбины, высокой поймы и террасы в общее потребление Ог днок остается посг тоянным. За счет илов русловой ложбины потребляется 34-38% от общей потери кислорода на границе "вода-дно"; отложения высокой поймы расходуют 62-65%; пески надпойменной террасы - лишь 1-2%.

основываясь на закономерностях, полученных для Можайского водохранилища, проведен расчет вклада донных отложений в общее потребление кислорода грунтами для Иваньковского водохранилища. Иваньковское водохранилище - водоем долинного типа, отличающееся от Можайского большими размерами (площадь водного зеркала при НПГ 327 км2, объем 1,12 км3) и повышенными скоростями течения (особенно в верховьях Еодоема). Водохранилище осуществляет неполное сезонное регулирование стока.

По параметрам, определяющим формирование донных отложений в

юдоеме. Иваньковское водохранилище имеет сходство с Можайским юдохранилищем,.а именно: а) оба водохранилища относятся к водое-<ам долинного типа со сходнш морфологическим строением затоплен-гай речной долины ("Иваньковское водохранилище...".1978; "Комп-[ексныо исследования водохранилищ",1979); б) основными источникам груптообразующего материала (как и во всех равнинных водохра-¡шгащах средней полосы России) служат сток взвешенных наносов >ек, размыв берегов, развитие фитопланктона и высшей водной рас-'ительности (Буторин Н.В. и др.,1975); в) по уровню трофности оба ¡одохранилища относятся к евтрофным водоемам ("Иваньковское во-юхранилице...",1978; "Комплексные исследования _ водохрани-:ищ",1979); г) грунты их представлены песчаным серым и серым ила-га, илистым песком й песком, заболоченными или обнаженными почва-га. Единственное отличие - отсутствие в Можайском водохранилище )тлсжеша из отмерших остатков макрофитов. Однако в Иваньковском юдохранилище эти отложения занимают менее 10% от площади дна во-4 юема и сосредоточены преимущественно в Шошинском плёсе (Закон-юв В.В.,1995), поэтому для приближенной оценки потерь кислорода [а границе "вода-дно" в основных плесах (Волжском и Иваньковском) ю предложенной методике ролью этих отложений можно принебречь.

Подробных исследований величины потока кислорода в донные сложения Иваньковсгаго водохранилища не проводились. По данным i. Г. Девяткина (Девяткин В.Р. ,1983), изучавшего прибрежную часть >аливов Бабнинского и Мошковичского в Иваньковском плесе, величина SOD в них составляют 470 мг/м2сут и 790 мг/м2сут, соответсвен-ю, что сопоставимо с величинами потока кислорода в донные отло-сения в Можайском водохранилище, учитывая, что данные В.Г.Девят-ина характеризуют участки вблизи зарослей макрофитов.

Анализ значений SOD для некоторых других, расположенных юж-iee. волжских водохранилищ долинного типа (табл.5) показывает, [то они мало отличаются от величин, наблюдаемых в Можайском во-[охранилище.

Используя метод географической аналогии, по методу, разрабо-'анному для Можайского водохранилища, сделана оценка величины SOD [ля Иваньковского водохранилища в различные сезоны, года [см.табл.4). Полученные значения величин потребления кислорода данными отложениями Иваньковского водохранилища указывают на несколько меньшую внутригодовую изменчивость рассматриваемого про-jecca, обусловленную морфометрическими различиями Волжского и [ваньковского плесов этого водохранилища и Можайского. Этот вывод

нуждается в экспериментальном подтверждении. При хорошей сходи мости результатов можно считать, что предложенная схема расчет позеолит уменьшить объем полевых работ до нескольких опорных из мерений SOD для каждого типа грунта, т.е. с наименьшими затратам получить более достоверные данные о потерях кислорода на границ "вода-донные отложения" в любом водохранилище долинного типа.

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ:

1. За счет биологических процессов в илах в Можайском водохранилище потребляется до 70% кислорода от общей аэробной деструкции органического вещества.

2. Внутригодовые колебания величины потребления кислород; донными отложениями для одного и того же типа грунта превышают ее пространственную изменчивость и зависят от сезонных изменение факторов, контролирующих активность жизнедеятельности микроорганизмов верхнего слоя донных отложений (температуры придонных слоев воды, концентрации у дна растворенного кислорода, а тага;е содержания. легкоокисляемого органического Еещества в грунта'-;). Е отдельные сезоны года ведущая роль переходит от одного фактора к другому.

3. Пространственная изменчивость величины потока кислорода в донные .отложения определяется .типом грунтов,. которые в долкнноы водохранилище приурочены к определенному морфологическому элементу рельефа дна затопленной речной долины. Максимальные величины потока кислорода в грунт наблюдаются для илов' русловой ложбины; минимальные - для заиленных песков надпойменной террасы.

4. Вклад донных отложений Можайского водохранилища в общее потребление кислорода в водоеме с учетом потребления его в столбе воды наиболее существенен зимой. В этот период на долю грунтов приходится до 40% от общей суточной деструкции органического вещества в водоеме. В остальные сезоны года вклад донных отложений в общее потребление 0z в водохранилище не превышает 20%, а летом мажет состазлять менее IX.

5. Из основе разработанной автором методики рассчитано потребление кислорода дном двух долинных водохранилищ (Можайского и Иваньковского) е различные сезоны года, как для водоемов в целом, так и в отдельных их районах. Минимальное количество кислорода потребляется доеными отложениями зимой (0,8 тОг/сут - для Можайского водохранилища), максимальное - летом (до 4 тОг/сут - для Мо-

- 17 - ...

кайского1 водохранилища, и 14 тОг/сут - для Иваньковского). В остальные сезоны грунты Можайского водохранилища потребляют от 3 до 3,5 тОг/сут, а Иваньковского - 10-13 тОг/сут.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Ломова Д.В. .Ломов А.И. Потребление кислорода донными отложени-

ями водоемов //Вестник Моск.ун-та, N3,1995,депонент ВИНИТИ N91 от 12.01.95.

2. Ломова Д.В. 05 оценке потребления кислорода грунтами водохра-

нилища //Вод.рес. 1995, N2.

3. Ломова Д.В. .Езерова Л.В. Взаимосвязи гидрохимических характе-

ристик водной массы оз.Иссык-Куль и режим растворенного в ней кислорода //'Вод.рес., 1992, N5, с. 129-137.

4. Гашкина Н. .Ломова Д.В. Экспериментальная оценка диффузии фос-

фатов из донных грунтов в воду //Моделирование режима фосфора в долинном водохранилище. М:Изд-во МГУ, 1995, с. 63-65.

5. Ломова Д.В. О поглощении кислорода на границе "вода-донные от-

ложения" (обзор) //Вод.рес. 1995 (в печати).

■¿ГсьЛУ