Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственное распределение, трансформация и выделение фосфора из донных отложений Куйбышевского водохранилища

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Пространственное распределение, трансформация и выделение фосфора из донных отложений Куйбышевского водохранилища"

л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

ВАРЛАМОВА Ольга Евгеньевна

УДК 556.555.7

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ТРАНСФОРМАЦИЯ И ВЫДЕЛЕНИЕ ФОСФОРА ИЗ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ( на примере Приплотинного плеса).

Специальность -11.00.07 Гидрология суши, водные ресурсы,гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте экологии Волжского бассейна РАН

Научный руководитель: доктор географических наук

М.В.Мартынова

Научный консультант:

кандидат географических наук ЛАВыхристюк

Официальные оппоненты: доктор географических наук

К.К.Эдельилгейн

Ведущее учреждение - Институт биологии внутренних вод РАН

диссертационного совета Д.003.37.01 при Институте водных проблем РАН

По адресу: 117971 Москва, ул. Губкина д. 3

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института водных проблем РАН

кандидат геолого-минерапогических наук А. Г. Кочарян

Автореферат разослан

I

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор геолого-минералогических наук

Р. Г. Джамалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Рост населения планеты, интенсивное развитие промышленности и сельского хозяйства сопровождается соответственно ростом потребления природных ресурсов и загрязнением окружающей среды, в том числе и поверхностных вод суши. Загрязнение природных вод сточными, дренажными и ливневыми водами приводит к стремительному ухудшению качества водных ресурсов планеты и значительно ограничивает возможность их использования для питьевого водоснабжения и в целях рекреаций. Среди приоритетных загрязнителей поверхностных вод суши - биогенные элементы ( в первую очередь соединения фосфора и азота) - избыточное поступление которых значительно ускоряет процесс естественного евтрофирования водных объектов. Одним из перспективных направлений в решении этой проблемы является изучение возможностей водных экосистем к самоочищению. Особое значение, при этом, приобретают исследования донных отложений, как основного продукта процессов самоочищения водных объектов.

Донные отложения являются важнейшим фактором регулирования биогенных веществ в водной толще водоемов, они активно участвуют во внутриводоемном круговороте вещества и энергии - накапливая, трансформируя и возвращая часть их в воду. Роль донных отложений в формировании биогенного режима водоемов имеет двойственный характер. Как продукт самоочищения водных масс они являются аккумулятором этих веществ и при определенных условиях могут стать источником «вторичного загрязнения». Оценка роли донных отложений, ее значимости в формировании трофического статуса водоема, выявление факторов контролирующих эту роль является важной и актуальной проблемой современной лимнологии и гидрохимии.

Цель и задачи работы.

Цель исследований - оценить роль донных отложений Куйбышевского водохранилища в круговороте фосфора, на современном этапе развития водоема, в зависимости от контролирующих ее факторов. Для её достижения необходимо было решить следующие задачи:

определить формы нахождения фосфора и их концентрации в верхнем слое донных отложений;

выявить закономерности пространственного и временного распределения форм фосфора в осадочной толще с учетом типа донных отложений;

количественно оценить величину диффузионного потока фосфора, определить соотношение его составляющих и влияющие на них факторы;

произвести оценку значимости внутренней фосфорной нагрузки в экосистеме Куйбышевского водохранилища.

Научная новизна работы.

- Впервые для изучения роли донных отложений в формировании круговорота вещества в крупнейшем исскуственном водоеме мира, каким является Куйбышевское водохранилище, был использован комплексный подход, включающий натурные и экспериментальные исследования.

- Впервые определены формы нахождения фосфора в твердой и жидкой фазе донных отложений водохранилища.

- Изучено пространственное распределение форм фосфора в донных отложениях с учетом как фракционного состава, так и геохимических особенностей осадков

- Комплекс работ позволил не только количественно оценить накопление различных форм фосфора в донных осадках и величины его диффузионного потока в водную толщу, но и понять механизм формирования внутренней фосфорной нагрузки водоема.

- Показано, что процесс самоочищения донных отложений Куйбышевского водохранилища от соединений фосфора происходить не только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

Практическое значение.

Полученные данные о формах накопления фосфора в донных осадках, механизмах формирования диффузионного потока фосфора со дна водохранилища, могут иметь практическое применение при моделировании режима биогенных элементов в водоеме, прогнозирования качества воды и направленного его регулирования, а

также при разработке мер по задержанию антропогенного евтрофирования Куйбышевского водохранилища. Результаты исследований использовались при разработке Концепции экологической безопасности и устойчивого развития города Тольятти (1995).

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на конференции молодых ученых ИЭВБ РАН (Тольятти, 1990 ); Всесоюзном совещании «Водные ресурсы суши, их качество и комплексное использование» (Звенигород,1990); Международном рабочем совещании «экологические основы оптимизации урбанизированной и рекреационной среды» (Тольятти, 1991); Региональной конференции «Современные проблемы экологии» (Тольятти, 1992); втором и третьем Международных совещаниях по лимнологии водохранилищ и качеству воды ( Чехия, Ческе-Будеовицы,1992;1997); первой и второй Международных конференциях «Экологические проблемы бассейнов крупных рек» ( Тольятти,1993;1998 ); заседании Тольятгинского отделения ГБО РАН ( 1998 ); городской научно - технической конференции «Чистая питьевая вода » (Тольятти,1998 ); обсуждались на ученых советах ИЭВБ РАН.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, 2 находятся в печати.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов; изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, иллюстрирована 20 рисунками. Список цитируемой литературы включает 137 отечественных и иностранных публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Условия формирования донных отложений Куйбышевского водохранилища.

В главе дана краткая характеристика условий (физико-географических, гидрологических, гидрохимических и биологических ) формирования донных осадков водохранилища, определяющих состав, свойства донных осадков и пространственное распределение.

Куйбышевское водохранилище - самое крупное долинное водохранилище в Европе и наиболее мощная ступень в Волжско-Камском каскаде водохранилищ. Создано оно в 1957 году, имеет многоцелевое назначение и осуществляет сезонное, недельное и суточное регулирование стока р.Волги. Расположено водохранилище в центральной части Среднего Поволжья, вытянуто в меридиональном направлении и пересекает всю лесостепную зону.

Основные характеристики водохранилища:

Площадь водосбора,км2 1200200 Максимальная ширина,км 40

Протяженность водоема, км 600 Максимальная глубина, м 41

Площадь водного зеркала,км2 5900 Средняя глубина,м 9,8

Объем,км3 58 Время водообмена,год 0,24

Водохранилище представляет собой ряд чередующихся озе-ровидных расширений (плесов) и сужений. Берега сложены разнообразными породами - от скальных и полускальных прочных пород палеозоя и мезозоя до рыхлых четвертичных отложений. Для рельефа дна водохранилища характерно: наличие глубоководного руслового желоба, по которому осуществляется основной водообмен; отсутствие вдоль правобережья мелководных площадей; приуроченность основных площадей мелководья к левобережью. К основным морфологическим элементам подводного рельефа относятся затопленные русла рек, пойма и надпойменные террасы (Широков, 1962).

Главные статьи водного баланса Куйбышевского водохранилища - поверхностный приток ( 93% суммарного притока обеспечивают Волга, Камы и Вятка) и сток через гидросооружения Волжской ГЭС

(98,2% общего расхода воды) . Водохранилище в целом характеризуется относительно однородными термическими условиями в поверхностном слое и малым изменением температуры по глубине. Этому в значительной степени способствует хорошая перемешиваемость водных масс, обусловленная как стоковым течением, так и существенными волновыми процессами.

Основной солевой состав воды Куйбышевского водохранилища формируется в результате смешения водных масс двух его главных притоков: Волги и Камы. В целом вода водохранилища относится к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, второму и третьему типам ( по: Алекин, 1948 ). Средняя минерализация - 331,6 мг/л, активная реакция воды лежит в нейтрально-щелочной области (7,2 - 8,4). Содержание растворенного кислорода варьирует от 2,9 до 16 и более мг/л, при среднегодовых колебаниях в поверхностном слое от 7,6 до 11,5 мг/л и от 6,0 до 11,1 мг/л в придонном.

Содержание общего азота и фосфора в водной толще Куйбышевского водохранилища изменяется в широких пределах: от 0,27 до 2,40 мг/л и 0,035до 0,131 мг/л соответственно. Средние концентрации азота - 1,2 мг/л; фосфора - 0,103 мг / л. Преобладающие формы: азота - органическая, фосфора - минеральная. Многолетние наблюдения за динамикой биогенных соединений свидетельствуют о существовании тенденции роста во времени концентраций фосфатного фосфора и аммонийного азота в водной толще водохранилища ( Выхри-стюк, 1995).

Внешняя нагрузка на водоем по азоту составляет 61 г / м 2*год, по фосфору - 7 г / м2-год. Водохранилище характеризуется как евтрофное ( Выхристюк,1983). Основным продуцентом автохтонного органического вещества является фитопланктон.

Глава 2. Донные отложения Куйбышевского водохранилища

В первом разделе на основе литературного анализа дана общая характеристика донных отложений Куйбышевского водохранилища. Показано, что ведущими факторами формирования донных отложений водохранилища являются абразия берегов и аккумуляция. Приведен среднегодовой баланс наносов Куйбышевского водохранилища (Выхристюк,1991 ). За время существования Куйбышевского

водохранилища комплекс вторичных отложений практически полностью покрыл площадь дна. Мощность их в среднем составляет 12,6 см (Законное, 1993а). Наиболее интенсивное накопление донных осадков происходит в глубоководной зоне водоема. Средняя скорость осадкообразования, на данном этапе существования водохранилища, составляет 0,4 см / год (\Лкпз1уик,\/а|1атоуа,1997).

В водохранилище формируются два основных типа осадков: пески (мелко - и среднезернистые, реже крупнозернисты) и илы (крупно-, мелкоалевритовые и глинистые ). В разделе даны характеристики их пространственного распределения и некоторых геохимических показателей, обусловленных гранулометрическим составом ( естественная влажность, рН, ЕЙ, концентрации ОВ и биогенных элементов и др.).

В Куйбышевском водохранилище скорость аккумуляции азота равна 6,5 г / м2-год, фосфора - 2,6 г / м2*год. Это в 1,5-6 раз выше, чем в других водохранилищах Волжского каскада. Исходя из среднегодового баланса этих элементов ( Выхристюк ,1989) показано, что в водохранилище, накопление фосфора идет интенсивнее нежели азота (46 и 11 %, соответственно, от их суммарного прихода в водоем).

Во втором разделе изложены особенности условий формирования донных осадков в исследуемом районе - Приплотинном плесе и дана более детальная характеристика пространственного распределения различных типов донных отложений в нем.

Приплотинный плес в отличие от остальных плесов водохранилища, вытянут с запада на восток. При относительно небольшой площади водного зеркала ( 397 км 2) он вмещает значительный объем воды - 6,853 км3, максимальная глубина 40 - 42 м. К особенностям района, необходимо отнести наличие максимального подпора воды, крутых берегов, временных обратных течений, как следствие значительных колебаний скоростей течений, обусловленных работой ГЭС. Все это способствует более интенсивному накоплению здесь донных осадков, а вместе с ними значительного объёма загрязняющих веществ, по сравнению с другими плёсами водохранилища.

Основная часть площади дна Приплотинного плеса покрыта илистыми отложениями различного гранулометрического состава. Наибольшее распространение имеют тонкодисперсные глинистые

илы накапливающиеся в глубоководной зоне плёса. Мелкоалевритовые илистые осадки располагаются на меньших глубинах, примыкают к глинистым илам в виде вытянутых вдоль них полос различной ширины и занимают существенно меньшие пространства, чем глинистые. Крупноалевртовые илы и песчанистые отложения имеют ограниченное распространение и приурочены в большей степени к мелководной зоне или к участкам, непосредственно примыкающим к плотине, где отсутствует заиление в результате работы водосливных сооружений.

Зондирование толщи вторичных отложений на Приплотинном плесе показало, что грунтовая колонка глубоководной зоны представлена в верхнем 0 - 3 см слое жидким коричневым однородным илом, за ним следует уплотненный темно-серый слой ила, иногда с прожилками разной ширины темно-серого и черного ила. Мощность этих осадков колеблется на русле от 30 до 70 см, а на затопленной низкой пойме - от 20 до 50 см. Донные отложения мелководной зоны сложены в основном крупно- и мелкоалевритовыми серыми илами с коричневым наилком, иногда песчанистым.

Минералогический состав донных отложений Приплотинного плеса свидетельствует, что концентрации главных породообразующих минералов мало изменяются по площади и глубине осадков (Ершова и др.,1996), однако грунты правой поймы, приуроченные к участкам интенсивного размыва берега сложенного карбонатными породами, отличаются повышенным содержанием карбонатов ( концентрация СаСОЗ может достигать 18% и более)

Глава 3. Методика и материалы исследований.

В основу исследований был положен методологический подход, предложенный М.В.Мартыновой (1987;1988а,в ). Схема исследований приведена на рисунке 1. Работы велись по двум направлениям : натурные исследования ( грунтовые съемки ) и экспериментальные работы.

Натурные исследования позволили выявить формы нахождения фосфора, их концентрации в толще донных отложений, а также проследить сезонную динамику содержания различных форм фосфора по обе стороны от поверхности дна. Грунтовые съемки проводились в

течение двух лет , один раз в сезон в период открытой воды ( весна, лето, осень). Наблюдательная сеть включала 16 станций, выбранных с учетом рельефа дна, площадей распределения основных типов донных осадков и гидрологии водоема. На каждой станции производили отбор придонной воды батометром Молчанова и донных отложений дночерпателем Экмана - Берджа. Во избежание влияния неоднородности грунта на получаемые результаты, на каждой станции отбирали по 4 монолита, которые объединялись по слоям 0 - 2 см (слой А); 2 -5 см ( В); 5 -15 см (С). Дальнейшая обработка шла с усредненными пробами. Отобранные образцы воды и донных отложений исследовались согласно схеме ( рис.1 ). Твердая и жидкая составляющие грунта анализировались отдельно. Поровый раствор отделялся сразу после отбора проб грунта на борту НИС, путем центрифугирования ила в течение 20 мин при 7000 об/мин с последующим фильтрованием через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм.

При обработке проб воды и порового раствора применялись общепринятые методы анализов ( Семенов, 1977 ): содержание растворенного кислорода в воде - по Винкперу, растворенного общего фосфора и общего железа - персульфатным окислением, минерального фосфора - по Мерфи-Райли, органический рассчитывался по разности между Р общ. и Р мин. Формы фосфора в скелете грунта определялись следующим образом: общий, органический и минеральный фосфор - методом Мета; формы минерального фосфора - «апатитовый» (Р апат.) и «неапатитовый» (Р неап.) - в последовательных щелочных (1,0 Н. NaOH) и кислотных (0,5 Н. HCl) вытяжках соответственно, а «остаточный» фосфор - по разности между общим минеральным фосфором и суммой первых двух форм ( Мартынова, Шмидеберг, 1983). Содержание углерода определялось путем сухого сожжения на экспресс-анализаторе АН-7529 (Люцарев,1986). Методики определения форм фосфора и углерода в твердой фазе грунтов были адаптированы к исследуемым грунтам. Для исключения случайных погрешностей при проведении анализов каждый показатель определялся трижды.

Экспериментальные работы ставились с целью получения количественных характеристик процессов трансформации соединений фосфора вблизи границы раздела вода - донные отложения. Они про

о2

Р общ.

Р мин.

Ре общ.

Характеристики придонного слоя воды в точке отбора пробы донных отложений

Характеристики донного грунта в точке отбора пробы (слои : 0 - 2 см, 2-5 см,5-15 см)

Формы фосфора С карб. I С орг. !

Жидкая Фаза

Р орг. Р мин. Р общ.

Примечание:

Твердая фаза

Рмин.

Р орг.

Р неап. Р ап. Р ост.

Р общ.

- определения проводились только в 1992 г.

Рис.1. Схема определений при натурных исследованиях

водились с 1989 по 1992 год, на трех стационарных станциях, расположенных на левой пойме (ст.5 ), русле (ст.6) и правой пойме (ст.14) один раз в сезон в течение периода открытой воды. На каждой станции, кроме комплекса работ, проводимых при натурных наблюдениях ( рис.1 ), посредством аквариумных экспериментов производилась оценка деструкции органического вещества в донных

отложениях и потока фосфора со дна в воду ( Романенко,1969, Мартынова,1987 ).

В результате исследований было отобрано свыше 1600 проб воды и грунта, выполнено более 3500 определений. Полученные материалы обработаны методами математической статистики на персональном компьютере с помощью пакета программ Microsoft Excel 5.0 для Windows.

Глава 4. Формы нахождения фосфора в донных отложениях При-плотинного плеса.

В главе приведены результаты исследований различных форм фосфора в твердой и жидкой фазах донных осадков, их концентраций, пространственной и сезонной изменчивости; дано объяснение выявленным закономерностям, основываясь на существующих в литературе концепциях, с учетом особенностей данного водоема.

Содержание общего фосфора в донных отложениях Припло-тинного плеса, в зависимости от типа отложений, колеблется от 0,03 -0,3%, в среднем составляет 0,12 %. Наибольшие его концентрации отмечены в тонкодисперсных глинистых илах, наименьшие - в песчанистых осадках. Основная масса фосфора связана с твердой фазой осадков, на растворенные формы в поровом растворе приходится не более 1% общего его содержания. Преобладающая форма нахождения - неорганическая ( в среднем 88 % от Р 0бщ. )• Доля органического фосфора не превышает 37 % от Р общ., составляя в среднем 12 %.

Пределы колебаний концентраций минеральных форм фосфора в твердой фазе донных отложений показаны в таблице 1.

Таблица 1

Содержание минеральных форм фосфора в твердой фазе донных отложений

Диапазон Среднее

Формы Р мин. концентраций содержание

мг Р/1 ООг в-ва % от Р мин

Неапатитовый 4,7 - 146,5 37

Апатитовый 4,5 - 58,4 38

Остаточный 1,3-111,1 25

Отмечены две особенности накопления минеральных форм фосфора в донных отложениях плеса: первая - соотношение Р Неап. /Рап. в 15 см слое осадков близко к 1, при среднем содержании карбонатов ( СаСОЗ ) -10 %; вторая - достаточно высокая средняя концентрация остаточного фосфора (25 %).

Пространственное распределение минеральных форм фосфора в твердой фазе осадков ( рис. 2) всецело определяется минералогическими особенностями седиментирующихся частиц и биохимическими процессами, активно протекающими в верхних слоях донных отложений.

60,0

50,0

40,0 -

30,0 -

20,0

10,0 -

В Рнеап.

□ Рапат.

□ Рост.

Левая пойма

Р/сло

Правая пойма

Рис.2. Распределение концентраций минеральных форм фосфора ( мгР/ЮОг сух.в-ва) в твердой фазе грунтов (слой 15см ) на различных морфологических участках плеса.

Отмечена тенденция увеличения концентраций апатитового фосфора от левобережья к правобережью. Высокое содержание неапатитового и остаточного фосфора свойственно глубоководным глинистым

илам русловой части плеса, что обусловлено их повышенной сорбци-онной емкостью и значительными концентрациями в них железа и ОВ.

Стратификация всех трех форм фосфора имеет схожий характер - она отражает снижение концентраций от поверхности осадков в глубь толщи, что свидетельствует об увеличивающемся поступлении на дно биогенных веществ на современном этапе развития водоема ( результат евтрофирования ) и постоянно действующих в осадочной толще процессах трансформации и перераспределения вещества. Различная интенсивность снижения их концентраций указывает на различную степень их участия в этих процессах (рис.3)

Высказано предположение о том, что некоторая доля минеральных форм фосфора имеет внутриводоемное происхождение, что подтверждается наличием корреляционной зависимости их концентраций от содержания в осадках Сорг. (г = 0,77; 0,51; 0,44 для Р Неап-, Р апат. и Р ост. соответственно).

В пространственном распределении органического фосфора твердой фазы донных отложений плеса отмечено возрастание его содержания с увеличением дисперсности осадков, т.е. от мелководья к глубоководным зонам. Для толщи вторичных отложений «левой поймы» и русловой части плеса характерно существенное снижение концентраций органического фосфора от поверхности к нижним горизонтам. Стратификация его в грунтах «правой поймы» выражена слабее и имеет обратный характер. - с глубиной содержание органического Р постепенно увеличивается. Содержание Р 0рг. в грунтах плеса обусловлено не только концентрацией в них ОВ, но и жизнедеятельностью их бактериального населения. Расчеты показали, что фосфор, связанный с бактериальной биомассой в грунтах Приплотинного плеса, может составлять от 11 до 86 % от органического фосфора донных осадков.

Анализ сезонной изменчивости концентраций различных форм фосфора твердой фазы осадков достоверных результатов не дал, что возможно обусловлено небольшим числом наблюдений и значительной пространственной неоднородностью их распределения по площади водохранилища.

Правая пойма

русло

Левая пойма

с) Фосфор остаточный

3

□ Слой А

□ Спой В в Спой С

мг Р в 100 г сух. грунта

Рис.3. Вертикальное распределение концентраций минеральных форм фосфора в твердой фазе донных отложений

Содержание общего фосфора в поровом растворе, в среднем на порядок выше, чем в придонном горизонте воды и изменяется в диапазоне от 0,037 до 1,904 мг/л. Большая часть его (70%) представлена минеральной формой. На долю органической составляющей приходится в среднем 30 %

В распределении растворенного минерального фосфора по площади дна прослеживается тенденция увеличения его концентраций от левого берега к правому. Особенно ярко она проявляется в период максимального прогрева водохранилища. Определяется это -меньшей сорбционной емкостью карбонатных илов по отношению к фосфат иону и повышающейся в летний период растворимостью фосфатов Са вследствие усиления микробиальной деятельности.

Стратификация растворенного Р мин. отражает тенденцию снижения содержания от поверхности вглубь осадков с экстремумом в слое В, значительно возрастающем со второй половине лета (рис.4а). Наличие экстремума - результат биохимических процессов, интенсивно протекающих в анаэробных условиях слоя В и сдвигающих равновесие между сорбированными и растворенными фосфатами в сторону увеличения последних.

Для распределения органического фосфора в поровом растворе осадков плеса свойственно увеличение его содержания по мере роста дисперсности отложений. Максимальные концентрации Рорг. ( 0,381 мг/л) отмечены в поровом растворе русловых глинистых илов. Вертикальное распределение характеризуется его снижением концентраций с глубиной для глинистых илов и увеличением для алевритовых и песчанистых осадков (рис.4б), что можно объяснить бактериальным происхождением части растворенного Р орг

Сезонная изменчивость концентраций растворенного фосфора выявлена для минеральной составляющей с достоверностью не менее 95 % в верхних двух слоях грунта (А,В ). Ход сезонной кривой отражает возрастание его содержания в летний период с последующим снижением осенью.

а) минеральный фосфор

I

Правая пойма ШшзаШШ 1

!

Русло 1

¡11111111111111

1

Левая пойма .........1 мг Р/п

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700

эй А й В й С

мг Р /л

6) органическим фосфор

Правая лойма

Русло

Левая пойма

□ Слс ЕЭСло НСло

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120

Рис.4. Вертикальное распределение концентраций различных Форм фосфора в поровом растворе донных отложений

Глава 5. Выделение фосфора донными отложениями

В главе рассмотрены процессы поступления фосфора со дна в водную толщу, которые обеспечиваются двумя основными механизмами массопереноса - молекулярной диффузией и конвективным переносом. Дана оценка возможной значимости этих процессов для Куйбышевского водохранилища с учетом его морфометрических, гидродинамических и биологических условий. Более подробно рассматривается и оценивается поток фосфора из донных отложений, вызываемый молекулярной диффузией - механизмом действующим постоянно и по всей площади дна водохранилища. На основе данных, полученных в результате экспериментов и расчетов, определена роль донных отложений Куйбышеского водохранилища во внутриводоемном круговороте фосфора.

Диффузионный поток фосфора (ЕР) рассматривается как результирующая трех составляющих: Рг потока из нижних слоев осадка; Р2 - потока, образующегося при минерализации ОВ на поверхности грунта; Р3 - потока за счет сорбционных или десорбционных процессов в донных отложениях (т.е. ЕР = Р-| + Р2 + Рз). Установлено, что поток фосфора (ЕР) со дна, при обычной внешней нагрузке на водоем 19 мгР/м2-сут, не превышает 6,0 мгР/м2-сут, и в среднем составляет 2,8 мгР/м2-сут. При этом величина внутренней фосфорной нагрузки определяется, в основном, интенсивностью деструкционных процессов фосфорсодержащего органического вещества на поверхности донных осадков и сорбционной емкостью грунтов по отношению к образующимся при этом соединениям фосфора ( Р2 и Р3). Диффузионный поток фосфора из нижних слоев донных отложений ( Р^ , имеет второстепенное значение. На его долю приходится от 0 до 50 % суммарного потока, причем значимость его наибольшая весной, когда деструкция и содержание органического фосфора минимальны. Интенсивность выделения фосфора имеет сезонный характер. Максимальное количество фосфора поступает из донных отложений во второй половине лета. В этот период не только деструкция ОВ в грунтах достигает своего максимума, но и изменения химикобиологических показателей среды способствуют усилению выделяемого потока фосфора за счет десорбционных процессов.

Для оценки значимости потока фосфора со дна в функционировании экосистемы Куйбышевского водохранилища использовался критерий ф ( Мартынова, 1988в ). Его физический смысл - относительный вклад потока фосфора со дна в его запас в водной массе. Для Приплотинного плеса он составляет 11 % ( в первом приближении для Куйбышевского водохранилища в целом значение критерия ср оценено в пределах 20 % ). Согласно критерию (ср ) донные отложения Приплотинного плеса на современном этапе жизни не являются существенным источником фосфора для его экосистемы. Способность водо-хранилищных отложений выдерживать значительные внешние фосфорные нагрузки, не становясь при этом источником вторичного загрязнения, обусловлена не только проточностью водоема, но и его относительной молодостью. Интенсивные эрозионные процессы, имеющие место вдоль береговой линии и на водосборе водохранилища, обеспечивают значительное поступление в донные отложения водоема минеральных частиц, которые существенно снижают ( в результате разбавления) в них концентрации органического вещества - основного источника аутигенных ( наиболее подвижных ) форм фосфора. Расчеты показали, что в глинистых русловых илах Приплотинного плеса, характеризующихся максимальным содержанием ОВ, аутигенный неапатитовый фосфор накапливается со скоростью 0,53 г Р / м2«год, а доля его в общем неапатитовом фосфоре составляет лишь 12%. Для сравнения - при меньших скоростях накопления Р Неап. в глинистых илах Учинского.( 0,28 г Р / м2*год) и Можайского ( 0,09 г Р / м2-год ) водохранилищ на его долю приходится 20 и 30% соответственно ( Мартынова,19886 ).

Рассмотрено влияние экстремальных условий в водоеме, возникших в результате аварийного сброса неочищенных сточных вод, на процессы накопления и трансформации фосфорных соединений в донных отложениях. За 6 дней ( в августе 1990 ) аварийной ситуации на насосной станции очистных сооружений ВАЗа ( в г.Тольятти ) в Приплотинный плес с неочищенными хозбытовыми стоками поступило количество фосфора, равное его сбросу со сточными водами при их обычном режиме за 4 месяца. Реакция донных отложений на кратковременное, но мощное антропогенное воздействие была значительно

длительней, чем водной среды. Выражалась она в многократном увеличении потоков фосфора со дна (мак.значение ЕР=31 мгР/ м2*сут) и в изменениях соотношений его составляющих (Р1;Р2;Рз) (табл.2).

Таблица2

Составляющие максимальных потоков фосфора

и определяющие их факторы (1989-1992 гг)

№ ст. Придонная вода 2 ш со О ж л I X Потоки фосфора из донных отложений мгР/м2-сут

дата о о ■с ГЧ О Г с 0) ^ Ш §.< X Ш о. ЕГ х 9 СО 5 «-» О 5< о о а. Е ^ Р1 Р2 Рз

Ст. 6

07.89 09.90 07.91 СЕ 92 18,2 15,7 21,2 20,7 8,6 8,1 5,4 0,064 0,150 0,090 0,170 0,244 0,614 0,455 0,893 797 468 420 358 133 138 81 86 5 25,5 31,1 10,4 0,2 0,4 0,31 0,6 6,0 3,4 5,2 4,2 -1,1 21,7 25,7 5,6

Сг.5

оаеэ оаэо 07.91 0692 21,2 19,8 21,2 17,2 9,3 9.7 8,6 8,1 0,130 0,064 0,095 0,036 0,492 0,162 0,195 0,100 402 282 470 437 136 99 90 113 1,63 9,4 7,7 9,0 0,31 0,08 0,09 0,06 3,0 2,8 5,2 3,9 -1,6 6,5 2,4 5,1

Ст-,14

07.91 (В 92 21,1 21,1 8,7 9,5 0,080 0,092 0,629 1,792 322 360 44 38 11,4 3,36 0,5 1,5 7,3 9,6 3,6 -7,7

Характер изменений в обменных процессах между осадками и водной толщей, свидетельствовал, что в период аварийного сброса донные отложения сыграли роль очистителя и поглотили часть, сброшенных в водоем, соединений фосфора. Сразу после ликвидации аварии началось их интенсивное самоочищение, которое наблюдалось осенью 1990г и летом 1991. В этот период внутренняя фосфорная нагрузка превышала внешнюю и донные отложения являлись

существенным источником этого элемента для водной толщи. В 1991 году критерий ф возрос до 35%; в 1992 составлял 27 %. Доля аутиген-ной составляющей неапатитового фосфора в верхнем слое русловых илов увеличилась с 12 % в 1989 году до 100 % в 1991 и 1992 годах. Преобладал поток фосфора за счет десорбции из твердой фазы донных отложений (Р3). Для восстановления нарушенного равновесия системы « вода - донные отложения » различным типам грунта потребовалось неодинаковое количество времени. Илы с повышенным содержанием карбонатов восстановили его гораздо быстрее, чем русловые глинистые илы, обогащенные соединениями железа. Это косвенно свидетельствует, о том, что величина внутренней нагрузки водоема регулируется, в первую очередь, накоплением в донных отложениях аутигенного неапатитового фосфора.

Наблюдаемый «отклик» донных отложений плеса на кратковременное, но мощное антропогенное воздействие наглядно продемонстрировал возможные последствия бесконтрольного увеличение внешней фосфорной нагрузи на водохранилище.

ВЫВОДЫ

1. Содержание общего фосфора в донных отложениях Припло-тинного плеса определяется гранулометрическим составом осадка и концентрацией органического вещества в них. Максимальные концентрации фосфора ( 0,3 % ) ассоциируются с глинистыми илами; минимальные (0,03 %) - с песчаными осадками. Среднее содержание его в осадках плеса составляет 0,12 %.

2. Основным источником фосфора донных отложений Куйбышевского водохранилища являются минеральные частицы, поступающие в водоем с водосбора и в результате абразии берегов. Поэтому большая часть фосфора даже в верхнем 15 см слое донных осадков представлена минеральной формой ( в среднем 88%

ОТ Р общ).

3. Формы накопления минерального фосфора и их распределение в донных осадках плеса обуславливаются химико-минералогическими особенностями седиментирующегося материала. Большая часть минерального фосфора (75 %) находится в сорбированном состоянии в виде неапатитового (37%) и апатитового (38%)

фосфора. Доля остаточного фосфора довольно значительная (25% от Рмин. )■

4. В распределении минеральных форм фосфора в осадочной толще выявлены следующие закономерности:

- доминирование неапатитовой формы фосфора в глубоководных, тонкодисперсных илах, обогащенных Ре +3 и органическим веществом;

- рост концентраций апатитового фосфора - от левобережья к правобережью ;

- ассоциация повышенных концентраций остаточного фосфора с тонкодисперсными илами глубоководной зоны плеса;

- отрицательный тренд стратификации минеральных форм фосфора - снижение их концентраций от поверхности осадков в глубь толщи.

5. Важным источником создаваемого запаса фосфора в донных отложениях водохранилища наряду с минеральными частицами является органическое вещество. Прямая зависимость концентраций минеральных форм фосфора ТВерДОЙ фаЗЫ ОТЛОЖеНИЙ (Р Неап ,Р ал, Р ост.) от содержания в них ОВ свидетельствует о формировании части их запаса в водоеме в результате связывания фосфатов, высвобождающихся при минерализации седиментирующегося органического вещества.

6. Органический фосфор донных отложений составляет в среднем 12% от Р общ. Бактериальная его составляющая может достигать 86 % и, при определенных условиях, является одним из регуляторов сезонных и пространственных соотношений минеральных и органических форм фосфора в осадках плеса.

7. Фосфор в поровом растворе грунтового комплекса, не превышает 1 % от общего его содержания в осадках. Сезонные колебания его концентраций достоверно выявлены для минеральной формы в верхнем слое отложений (до 5 см).

8. Внутренняя фосфорная нагрузка Куйбышевского водохранилища составляет 14% от внешней. Около 40%, поступающего на дно фосфора, возвращается в воду. Величина потока фосфора из донных отложений определяется интенсивностью деструкционных процессов фосфорсодержащих органических веществ на поверхности

донных осадков и сорбционной емкостью грунтов по отношению к образующимся при этом соединениям фосфора ( Р2 и Р3 ). Диффузионный поток фосфора из нижних слоев донных отложений ( Pi) имеет второстепенное значение.

Максимальное выделение фосфора донными отложениями приурочено ко второй половине летнего периода и совпадает с пиком деструкции органического вещества в осадочной толще. Самоочищение донных отложений от накопившихся в них аутигенных форм фосфора происходит не только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

9. Относительный вклад потока фосфора со дна в общий запас этого элемента в водной массе составляет для Приплотинного плеса 11%, а для всего Куйбышевского водохранилища в первом приближении - не более 20%. Это свидетельствует о высокой депонирующей способности донных отложений Куйбышевского водохранилища по отношению к фосфорным соединениям. На современном этапе развития водоема донные осадки не являются важным источником фосфора в его экосистеме; им принадлежит значительная роль в сдерживании темпов антропогенного евтрофирования водохранилища.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Варламова O.E. Обменные процессы в системе «вода-донные

отложения» Куйбышевского водохранилища. - Тольятти, 1991 -9 с - Деп. в ВИНИТИ 18.01.91, № 325-В91.

2. Варламова O.E. Донные отложения - показатель загрязнения водо-

ема // Экологические основы оптимизации урбанизированной и рекреационной среды: Тез. докл. - Тольятти, 1992. - С. 158.

3. Vikhristyuk L.A., Varlamova O.E. Role of sedimentation proceses in the

ecosystem of the Kuibyshev Reservoir// Abstracts 2 Internation Conferens on Reservoir Limnology and Water Quality. - Ceske-Budejevice, 1992. - P. 102.

4. Варламова O.E. Фосфор в донных отложениях Куйбышевского водо-

хранилища // Материалы науч. конф. «Современные проблемы экологии Волжского бассейна». - Тольятти, 1993. -10 с. - Деп. в ВИНИТИ 08.07.92, № 2213-В92.

5. Селезнев В.А.,ЖариковВ.В., Бамбуров И.С., Варламова О.Е. и др.

Изменчивость и взаимосвязь главных компонент экосистемы Куйбышевского водохранилища // Экологические проблемы бассейнов крупных рек: Тез. докл. - Тольятти, 1993. - С. 40-41.

6. Vikhristyuk L.A., Varlamova О.Е. Phosphorus in bottom sediments of the

Kuibyshev Reservoir//Arch. Hydrobiol. Beih. - Stuttgart, 1994. -№40. - P. 21-26.

7. Varlamova O.E. Accumulation and Transforation of. Phosphorus in

Kuibyshev Reservoirs Ecosystem // Abstr. 3 Intern. Conf. on Reservoir Limnology and Water Quality. - Ceske-Budejevice, 1997. -P.193.

8. Vikhristyuk L.A., Varlamova O.E. Rates of accumulation of the Kuibyshev

Reservoir//Abstr. 3 Intern. Conf. on Reservoir Limnology and Water Quality. - Ceske-Budejevice, 1997. - P. 197.

9. Варламова O.E. Внутренняя фосфорная нагрузка и ее значимость

для вод Куйбышевского водохранилища // Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 2: Тез. докл.- Тольятти, 1998. -С. 123-124

10. Зинченко Т.Д., Выхристюк Л.А., Варламова О.Е. Реакция зообенто-

са на состояние донных отложений равнинного водохранилища // Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 2: Тез. докл.- Тольятти,!998. - С. 200

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Варламова, Ольга Евгеньевна, Тольятти



. > С. / / А — ^ ' • /

р о с с и й с к/а я академия наук

институт экологии волжского бассейна

На правах рукописи удк 556.555.7

ВАРЛАМОВА Ольга Евгеньевна

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ТРАНСФОРМАЦИЯ И ВЫДЕЛЕНИЕ ФОСФОРА ИЗ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ( на примере Приплотинного плеса )

Специальность - 11.00.07 Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор географических наук М.В. Мартынова

Тольятти - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Условия формирования донных отложений

Куйбышевского водохранилища..........................................................................9

1.1. Физико-географические условия и морфология водоема............................................................................................................................................9

1.2. Гидрологические особенности..................................................13

1.3. Гидрохимический режим и биогенная нагрузка.. 18

1.4. Биологические условия..................................................................24

ГЛАВА 2. Донные отложения Куйбышевского водохранилища........................................................................................28

2.1. Донные осадки Приплотинного плеса............................38

ГЛАВА 3. Методы и материалы исследований....................................42

ГЛАВА 4. Формы нахождения фосфора в донных отложениях Приплотинного плеса....................................................................................47

4.1. Фосфор твердой фазы осадков..................................................50

4.1.1. Органический фосфор........................................................50

4.1.2. Минеральный фосфор........................................................53

4.2. Фосфор жидкой фазы осадков..................................................69

ГЛАВА 5. Выделение фосфора донными отложениями............80

5.1. Основные механизмы удаления соединений фосфора из донных осадков....................................................................................80

5.2. Диффузионный поток фосфора в системе " вода

- донные отложения"........................................................................................................83

5.3 Внутренняя фосфорная нагрузка и её значимость

для вод Куйбышевского водохранилища..................................................94

ВЫВОДЫ.................................................................. 102

ЛИТЕРАТУРА............................................................. 105

введение

Рост численности населения планеты, интенсивное развитие промышленности и сельского хозяйства сопровождается соответственно увеличением потребления природных ресурсов и загрязнением окружающей среды, в том числе и поверхностных вод суши. Загрязнение природных вод сточными, дренажными и ливневыми водами приводит к стремительному ухудшению качества водных ресурсов планеты и значительно ограничивает возможность их использования для питьевого водоснабжения и в целях рекреаций. Серьёзную тревогу вызывает избыточное поступление в водные объекты биогенных соединений ( в первую очередь азота и фосфора ). Повышенные их концентрации непосредственно не вызывают снижения качества воды, но включаясь в систему биохимических превращений водных экосистем, они могут нарушать естественный круговорот вещества и энергии в водоемах и стать причиной их ускоренного евтрофирования (антропогенного евтрофирования). Одним из перспективных направлений в решении этой проблемы является изучение возможностей водных экосистем к самоочищению. Особое значение, при этом, приобретают исследования донных отложений водных объектов, как основного продукта процессов самоочищения.

Донные отложения являются важнейшим фактором регулирования биогенных веществ в водной толще водоемов, они активно участвуют во внутриводоемном круговороте вещества и энергии - накапливая, трансформируя и выделяя их обратно в воду. Их состав и свойства отражают всю совокупность биологических, химических и физических процессов, происходящих в водоеме. Роль донных отложений в формировании био-

_ и и у-ч с»

генного режима водоемов имеет двойственный характер. С одной стороны, как аккумуляторы, они способствуют самоочищению водных масс, с другой - обладая большими запасами ( т.е. являясь хранилищем ) этих ве-

ществ, донные осадки при определенных условиях могут стать источником « вторичного загрязнения ». Знание роли донных отложений и их значимости в формировании трофического статуса водоема является одной из важных и актуальных проблем современной лимнологии и гидрохимии.

Процесс взаимодействия донных отложений с водными массами весьма сложен и многогранен и, несмотря на значительное число работ, посвященных его исследованию, остаётся ещё недостаточно изучен. Заметный вклад в разработку этого вопроса внесли исследователи К.Мортимер ( Mortimer,1941; 1942; 1949; 1971 ), Л.Л. Россолимо ( 1939; 1958 ) , Н.И.Семенович ( 1960 ), Б.Востром ( Bostrom et al., 1982;1984; 1988 ), Д.Виллиамс ( Williams et al., 1970; 1972; 1976 ), M.В. Мартынова ( 1984; 1988 б,в ), И.Б. Мизандронцев ( 1990,1997 ), Х.Голтерман ( Golter-man, 1984; 1995 ) и др. ученые.

За последние 20 лет в России и странах ближнего зарубежья выполнено немало экспериментальных работ и натурных исследований по изучению количественной оценки процессов накопления и выделения биогенных веществ донными отложениями целого ряда водохранилищ Волги: Иваньковского, Рыбинского, Угличского, Шекснинского, Саратовского, Волгоградского ( Трифонова, 1974; Трифонова, Былинкина, 1984; Зимино-ва, Законное, 1980а; 19806; 1982; Разгулин,1985; Законнов, 19936; Кудрявцева, 1982 и др.); Москворецких водохранилищ: Можайского, Учинского ( Мартынова,Виноградова. 1977; Мартынова, 1979; Даценко,1993 ); водохранилищ Днепровского каскада: Кременчугского и Киевского ( Денисова,Нахшина, 1984; Денисова, Нахшина, Новиков и др. 1987 ). Интересные результаты получены при исследовании массопереноса в системе « вода - донные отложения » озер Байкала, Севана, Ладоги, группы Наро-чанских озер и др. ( Мизандронцев, 1987; Мизандронцев,Парпаров,Стравинская, 1987; Игнатьева, 1997; Жукова,Мартынова и др., 1990; Мартынова, Жукова и др., 1991 ).

Донные отложения Куйбышевского водохранилища изучались с первых лет его существования. Более чем за 30 лет исследований В.М.Широковым ( 1962,1964,1965 ), И.В.Барановым ( 1964 ), Н.Н.Гусевой и М.П.Максимовой ( 1971 ), Л.А.Выхристюк ( 1984, 1986, 1991 ) В.В.Законновым ( 1993а, 19936 ) накоплен достаточно большой объем информации, характеризующий процессы осадконакопления, состав и свойства донных отложений , пространственное их распределение, содержание общих форм биогенных элементов и скорости их аккумуляции в донных осадках различного типа. Однако роль донных отложений в антропогенном евтрофировании Куйбышевского водохранилища осталась практически неизученной. В связи с этим с 1989 по 1992 год в Припло-тинном плесе водохранилища были проведены исследования, цель которых - выявление роли донных отложений в круговороте фосфора в Куйбышевском водохранилище на современном этапе его развития. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- определить формы нахождения фосфора и их концентрации в верхнем 15 см слое донных отложений;

- выявить закономерности пространственного и временного распределения форм фосфора в осадочной толще с учетом типа донных отложений;

- количественно оценить величину диффузионного потока фосфора и определить соотношение его составляющих;

- произвести оценку значимости внутренней фосфорной нагрузки в экосистеме Куйбышевского водохранилища.

Научная новизна работы

- Впервые для изучения роли донных отложений в формировании круговорота вещества в крупнейшем искусственном водоеме мира, каким является Куйбышевское водохранилище, был использован комплексный подход, включающий натурные и экспериментальные исследования.

- Впервые определены формы нахождения фосфора в твердой и жидкой фазе донных отложений водохранилища.

- Изучено пространственное распределение форм фосфора в донных отложениях с учетом как фракционного состава, так и геохимических особенностей осадков.

- Проведенный комплекс работ позволил не только количественно оценить накопление различных форм фосфора в донных осадках и величину его диффузионного потока в водную толщу, но и с помощью выявленных процессов трансформации соединений фосфора в осадочной толще понять механизм формирования внутренней фосфорной нагрузки водоема.

Показано, что процесс самоочищения донных отложений Куйбышевского водохранилища от подвижных форм фосфора может происходить и в аэробных условиях.

Практическое значение

Полученные данные о формах накопления фосфора в донных осадках, механизмах формирования диффузионного потока фосфора со дна водохранилища, могут иметь практическое применение при моделировании биогенного режима в водоеме, прогнозирования качества воды и направленного его регулирования, а также при разработке мер по задержанию ускоренного евтрофирования Куйбышевского водохранилища. Результаты исследований использовались при разработке Концепции экологической безопасности и устойчивого развития города Тольятти ( 1995 ).

Автор глубоко признательна своим научным руководителям д.г.н. М.В.Мартыновой (ИБП РАН ) и к.г.н. Л.А.Выхристюк ( ИЭВБ РАН ) за консультативную помощь, ценные советы и критические замечания при написании и оформлении работы.

Искренне благодарна директору ИЭВБ РАН д.б.н. Г.С.Розенбергу за доброжелателность и предоставленную возможность обобщить мои исследования и подготовить данную работу.

Считаю своим приятным долгом выразить искреннюю признательность всем лицам, принимавшим участие в сборе и обработке полевых материалов, особенно сотрудникам лаборатории абиотических факторов ИЭВБ РАН: Г.В.Гафт, И.Н.Узяевой и И.Н.Левковец, а также команде научно-исследовательского судна "Наука".

ГЛАВА 1. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Донные отложения это гетерогенная среда, свойства которой определяются рядом факторов: физико-географическими условиями, гидродинамической и гидрохимической обстановкой в водоеме, биологическими и биохимическими процессами, происходящими в его водной и осадочной толщах.

1.1. Физико-географические условия и морфология водоема

Куйбышевское водохранилище, созданное плотиной Волжского гидроузла, является наиболее мощной ступенью Волжско-Камского каскада. Оно расположено в центральной части Среднего Поволжья, на рубеже Лесостепной провинции Приволжской возвышенности и Низменного Заволжья. Вытянутое в меридиональном направлении, оно тянется от лесной ландшафтной зоны на севере и пересекает всю лесостепную зону. Некоторые его лимнические показатели приведены ниже по: В.М.Широкову (1962); М.А.Фортунатову (1983); и Л.А.Выхристюк, Г.С. Розенбергу (1994)

Площадь водосбора,км2 1200200

Протяженность водоема, км 600

Площадь водного зеркала,км2 5900

Объем,км 58

Максимальная ширина,км 40

Максимальная глубина, м 41

Средняя глубина,м 9,8

Время водообмена,год 0,24

Климат района Куйбышевского водохранилища умеренно континентальный, с жарким летом и холодной зимой. Средняя годовая температура воздуха изменяется от 3,2°С на севере до 4,6°С на юге. Годовая амплитуда среднемесячных температур в районе водохранилища составляет 32-34 С, а абсолютная амплитуда достигает 80°С. Средняя годовая сумма осадков колеблется от 419 до 626 мм. Максимум осадков наблюдается в августе и достигает в среднем 80 - 90 мм, минимум в январе -апреле и составляет в среднем 20 - 30 мм, уменьшаясь в отдельные годы до 1 - 3 мм. Ветровой режим над территорией водохранилища довольно сложный. Наибольшую повторяемость в течение года имеют ветры западной и южной четвертей. Средняя скорость ветра сравнительно невелика. Для навигационного периода она равна 4,5 м/с. Однако максимальные скорости могут достигать 30 м/с и более. Наибольшая повторяемость штормовой погоды наблюдается осенью ( в октябре ), наименьшая - весной ( в апреле ) и летом ( в июле ) ( Буторин,Выхристюк, 1983; Бамбуров и др.,1991 ).

Отличительной особенностью Куйбышевского водохранилища является его асимметричность - резкое различие в рельефе правого и левого берегов. Правый берег высокий, с крутыми склонами, имеет глубокие, но мало врезанные затопленные долины небольших притоков, оврагов и балок. Левый берег низкий, глубоко расчленен заливами, образованными от затопления многочисленных устьев впадающих рек; его извилистость в полтора раза больше правого.

Берега водохранилища сложены разнообразными породами - от скальных и полускальных, прочных пород палеозоя и мезозоя до рыхлых четвертичных отложений ( Пицык, 1979 ).

Водохранилище представляет собой ряд чередующихся озеровид-ных расширенний ( плесов ) и сужений. К этим естественным орографическим рубежам приурочены границы выделяемых на водохранилище районов, характеризующихся особенностями гидрологических и гидрохимических условий и ходом биологических процессов ( Дзюбан, 1960) ( рис.1.). Некоторые их морфометрические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1

Морфометрические характеристики плесов Куйбышевского водохранилища ( по : Дзюбан, 1960 )

Название озеровидных плесов Площадь зеркала км2 Масим. ширина км Протяженность км Средняя глубина м Объем воды км3

Приплотинный 397 12 35 17,3 6,853

Новодевиченский 455 14 45 15,7 7,129

Ульяновский 735 14 65 15,2 11,189

Ундорский 646 27 45 11,3 7,274

Тетюшский 914 14 100 8,8 8,081

Волго-Камский 1092 40 65 5,6 6,129

Камский 793 10 200 3,9 3,100

Волжский 977 10 25 4,7 4,610

Несмотря на сложное морфологическое строение чаши водоема, все плесы имеют значительное сходство в ряде морфологических элементов подводного рельефа ( Широков, 1962 ):

р. большая Кок шага

г, Чебоксары Нр Ч

!Р0

I

Волжский Вязовые ^ плес

2

§

/7.г.г. Камское-Устье Тетншинский

плес

в. Тетюши

Ундорский плёс

ъ. Ульяновск

Ульяновский плёс

г. Сен гилей

г.Казань

П,е,т. Мишево л

Р-Угпкй "р.Майна

Камский плёс

4___

"л

&. Чистополь

Волга - Камский плес

_i

Черемшанский залив

Новодебичснский плёс

| с.Новодебичье 4

УсинскиНГ *.*аа залив

г. Тольятти Приллотинный л ---■——-* плес

А - населённые пункты $ - плотины ГЭС

Рис. 1. Схема районирования Куйбышевского водохранилища Н.А. Дзюбана ( 1960 г.)

1. Наличие глубоководного руслового желоба, по которому осуществляется основной водообмен.

2. Отсутствие вдоль правобережья мелководных площадей и переход прибрежной зоны непосредственно в глубоководную.

3. Основными элементами рельефа дна вдоль левобережья являются затопленные русла рек, пойма и надпойменные террасы.

1.2. Гидрологические особенности

Водный баланс. Водохранилище образовано двумя крупнейшими водными артериями - Волгой и Камой. Преобладающими в питании водохранилища являются снеговые воды, в меньшей степени - дождевые и грунтовые. Наибольшее количество воды в водохранилище поступает в период весеннего половодья. Например, Волга в это время дает около 62 % годового стока. На летне-осенний период падает 26%, а на зимний 12 % общего стока Волги ( Никулин, 1962).

Главные статьи водного баланса Куйбышевского водохранилища -это поверхностный приток и сток через гидросооружения Волжской ГЭС ( табл.2 ).

Годовой суммарный приток за счет Волги, Камы и Вятки в среднем за год достигает 93,6 % от общего поступления воды в водоем, на долю стока малых рек приходится 5,4 %. Преимущественная роль главнейших рек в водном балансе водохранилища сохраняется в течение всего года. Годовой сток воды через плотину составляет 98,5 % общего расхода воды. Доля осадков и испарения в годовом балансе невелика - каждый из компонентов составляет немногим более 1 %.

Таблица 2

Среднегодовой водный баланс за 1957-1988гг ( по: Бамбуров и др.,1991)

Составляющие баланса Водный сток

км3 %

Приход

Главные водные артерии 232,1 93,6

Боковые притоки 13,8 5,4

Осадки 2,7 1,0

Итого: 248,6 100,0

Расход

Сброс через плотину ГЭС 242,2 98,5

Испарение* 3,6 1,5

Итого: 245,8 100,0

Невязка 2,8 4,8

данные за 1957 - 1979 гг.

Температурный режим. Водохранилище в целом характеризуется относительно однородными термическими условиями в поверхностном слое и малым изменением температуры по глубине. Этому в значительной степени способствует хорошая перемешиваемость водных масс. В годовом ходе изменений температуры воды водохранилища имеется четыре периода, всецело зависящих от сезонов года: период весеннего нагревания, период летнего нагревания, период осеннего охлаждения и период зимних температур ( Никулин, 1962 ).

Весеннее нагревание водоема начинается еще при ледоставе и заканчивается, как правило, в мае, а на некоторых участках в начале июня.

Период летнего прогревания охватывает время от появления устойчивой прямой стратификации до начала осеннего охлаждения водных

масс в водохранилище( май - август). Максимальное прогревание водной толщи обычно наблюдается в конце июля - начале августа.

Период осеннего охлаждения водохранилища охватывает время от начала устойчивого снижения температур водных масс до момента образования на нем сплошного ледяного покрова. Обычно этот процесс начинается в первой декаде сентября и заканчивается в конце ноября

В зимний период подо льдом температура водных масс довольно однородна. Период от момен