Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Внутриводоемные накопительные процессы в системе река - водохранилище и их влияние на состав и свойства речных вод

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Внутриводоемные накопительные процессы в системе река - водохранилище и их влияние на состав и свойства речных вод"

41 Л VI

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОШШ И ОРДША ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ем. М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

КАДШН АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 556.55:/551.5:550.4/ (438) 557.3; 639.2

БНУТРИВОДОЕМНЫЕ НАКОПИТЕЛЬНЫЕ. ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ РЕКА - ВОДОХРАНИЛИЩ) И ЙХ ВЛИЯНИЕ НА СОСТАВ И СВОЙСТВА РЕЧНЫХ • ВОД

II.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 1090

Работа выполнена в Институте водных проблей Академы наук СССР.

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор доктор географических наук, профессор доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация: Институт охраны природы Госкомприроды СССР

Защита состоится hi OSU> р Jj 199Q г. в 15 час.

на заседании физико-географического специализированного совета Д - 0 53.05.29 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: I193S9, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 13 этап, аудитория 1807.

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

Автореферат разослан

"25 • OlcTSlfyj 1990 г.

В.В.добровольскхЗ

В.Л.Делешенко

Ы.И.Телитченко

Ученый секретарь специализированного совета, .

кандидат географических наук <лсн41^> Т.И.Кондратьева

г

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

V }'

" "Актуальность. Физико-географические исследования в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов касаются, в первую очередь, оценки антропогенного воздействия на ландшафты.

Человек изменяет не только внешний облик и тип ландшафта, но и "внутренние" процессы круговорота веществ и трансформации ■ энергии. Степень изменения этих процессов могло характеризовать скоростью накопительных процессов в этих системах, что и определяет степень разомкнутости круговорота веществ или степень отклонения от процессов в нарушенных природных условиях.

Все современные ландшафты по степени антропогенного воздействия делят на группы ландшафтов с практически неизменной природной структурой и группы с различной степенью изменения этой структуры. В этой классификации речные водохранилища относятся к группе ланд-пафтов с максимальным изменением структуры природной среды. В настоящее время большинство рек на значительном протяжении оказались зарегулированными каскадом водохранилищ. Образовались системы река-водохранилище со специфическим комплексом гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических вкутриводоемных процессов формирования состава и свойств речных вод. Отличительной особенностью этого комплекса внутриводоемных процессов является накопление в этих системах органических веществ, в том числе и токсичных. Трансформация веществ в системе приводила к тому, что концентрация веществ в воде на выходе из этой системы была ниже, чем на входе в нее, т.е. имело место так называемое "самоочищение вода". Однако в последующем накопительные процессы, кото» рые в начале приводили к "самоочищению", превратились в свою противоположность - возникли процессы "вторичного загрязнения" воды.

■Для любого водохранилища существует не только конечный срок его существования, определяемый массой накопленных в нем взвешенных веществ, но и срок, после которого накопительные процессы становятся определякщими в формировании состава и свойств речных вод. Этот состав и свойства уже не удовлетворяют качественным характеристикам, 'предъявляемым к воде, используемой для тех или иных . целей, происходят необратимые изменения в функционировании экосистем водохранилища, а в некоторых случаях может наступать экологическая катастрофа.

Практика охраны природы и рационального использования водны ресурсов требует решения актуальной научной проблемы, имещей важное народнохозяйственное значение: оценить роль накопительных процессов и их влияние на формирование состава и свойств речных вод в системе река-водохранилище.

Состояние изученности проблемы. Исследование накопительных процессов проводилось по двум основным направлениям: накопление неорганических веществ, основу которого составляют процесс заиле ння водохранилищ и накопление органических веществ аллохтонного и автохтонного происхождения.

Значительный вклад в изучение процессов заиления водохранилищ внесли работы М.А.Великанова, Г.И.Шамова, Н.А.АЙбулатова, Ы.В.Буторина, Н.С.Знаменской, В.А.Знаменского, В.К.Дебольского, И.А.Зиминоаой, Б.П.Курдина, Б.В.Полякова, Д.Я.Ратковича, К.И.Рос синского, Б.Ф.Снищенко, Б.С.ШтейшиЩ и др.

Изучении круговорота и накопления органического вещества в водоемах.посвящены работы О.А.Алёкнна, И.В.Баринова, Ы.В.Бутор .на, С.В.Бруевича, В.А.Васильева, А.А.Григорьевой, В.В.Добровольского, С.Ы.Драчёва, А.М.Дзюбана, Г.С.Коновалова, Е.И.Малшшна, В.Ц.Роианенко, С, .Сергеева, В.И.Сорокина, Е.А.Стравинской и др.

Среди зарубежных исследователей необходимо отметать работы

F. Steit, IDHem.VkH.Durum.lHA/ft.l&.Fanmr, P.S.Sivin

др. Указанными автора?«! получен значительный материал как при ис-ледовании заиления водохранилищ, так и при изучешш процессов акопления органических веществ. Однако вопросам комплексного изу-ения накопления органических и неорганических веществ и их вди-нию на формирование состава и свойств речных вод с позиций рацио-ального природопользования не уделялось достаточного внимания.

Цель работы - разработать методологии оценки антропогенного оздействия на ландшафты и оценить эффективность природоохранных ероприятий на основе изучения накопительных процессов в система ека-водохраншшце.

остижение этой цели потребовало решения.следующих задач: разра-отка методологических основ и методов исследования процессов фор-ироваяия состава и свойств речных вод с учетом круговорота и на-опления веществ; организация и проведение периодических, режимных разовых 'наблюдений в полевых условиях за переменными состояния, оторые адекватным образом отражают процессы круговорота и накоп-ения веществ ; обработка и анализ экспериментальных данных и да их снове осуществление теоретического обобщения по накопительным провесам, оценка влияния последних на состав и свойства речных вод. .

Научная новизна. Восемь защищаемых положений диссертации, вы-екащих соответственно из 8 глав работы, можно квалифицировать ак решение крупной научной проблемы, имеющей важное народаохозяй-твенное значение, название которой вынесено в заглавие диссерта-ии "Внутриводоемные накопительные процессы в системе река-водохранилище и их влияние на состав и свойства речных вод". Эти защвда- 1 mie положения состоят в следующем.

I. Предложен новыД методологически подход к оценка антропогенного воздействия на ландыафтц, и основу которого положена величина скорости накопительных процессов в шз. Эта скорость накопительных процессов следует из балансовых соотношений д "уравнения состояния" 1 которое определяет взаимосвязь изх^у перег^енными состо.' пая этих балансовых уравнений, в тои числа отношения могду скоростью продукции и деструкции органического вецаетва.

• П. Разработаны а внедрены метода исследования круговорота и накопления вецеств в системе река-водохранилище, которые позволяют оценивать антропогенное воздействий и офс}октав;!ость природоохранных мероприятий в системах ре^-водохраиилида.

Ш. Показано, что для оценки антропогенного воздействия на лащ иафтц п оценки природоохранные ызропргиний целесообразно исходить нз эталонных характеристик. Б качества такого эталона приняты хара: теристкки Верхней Волги, которые практически не изменились с 1&02 з Однако выявлены и аноюалышо содер^аиля некоторых элементов, в частности 5 рубидия и калия, и установлено, что причина увеличения концентрата: этих элементов связана о применением калийных удобрений в зто:л районе.

1У. Установлено, что за врем существования Иваньковского вод хранилища (с 193? г.) антропогенное воздействие на протекание береговых к внутриводое^шшс процессов в бассейне Верхней Волги привело к'увеличению концентрации главных компонентов в речных водах почти в 4 раза, такая тенденция отпечена и на других Вольских водохранилищах. За время проведения исследований сезонные характеристики состава 2 свойств речных вод .на еыходо из Иваньковского водохранилища существенно не иенялздь, несмотря на значительные изменения этих характеристик на входе в него, что указывает на рекаэдую роль ьнутриводоешшх процессов в фор*шров«ниа состава к свойств этих вод.

V. Установлено, что по накоплении тяг.елых металлов и их распределения по глубине донных отложений молю судить о<3 истории

• протекания береговых и гаутриводоекных процессов. Показано такав, что накопленные в донных отложениях тлхелиэ металлы входят в состав комплексных соединений. ' •

VI. Епервые для Иваньковского водохранилища составлен балано органического вещества, биогенных элементов, а такие тяжелых .металлов. Из этого баланса следует, что отношение скорости деструкции

к скорости продукции органического вещества в большинстве случаев составляет 1/2. Однако наблюдалась единичные значения этого соотношения, которое составляло ряд: I; 3/2; 5/2.

Такой ряд соотношений между продукцией и деструкцией органического вещества следует из.теории симметрии. При j = 1/2 скорость накопления органического вещества равна половине скорости его образования. При J = I деструкция равна продукции, а при | > I де- ■ струкцая превышает продукт®. • .

УП. Изменение относительной мутности потока ß-, . , которая зависит от скорости потока V , гидравлической крупности т. , глубины водоема Н, энергетического спектра ветрового волнения" Г (и)) описывается соотношением ,

Р' ^ \ цГ—I.

где ß - коэффициент, зависящий от степени насыщения потока наносами (в среднем J3 =0,1).

УШ. В среднем для Вольских водохранилищ скорость накопления составляет Ю-11 г/см3 сек. или 2.I08 г/м2 год. К настоящее времб-ни в этих водохранилищах накоплено около 1.2 млрд.тона веществ, из которых огало 25? приходится на органическое вещество.

Практическая ценность работы. Решение проблемы накопительных процессов позволяет более обоснованно предпринимать меры по охране природных вод и рациональному использовании водных ресурсов. В настоящее вреш многие такие с к с темы река-водохракилвда нуждаются в подобных мероприятиях.

По предварительным расчетам ликвидация негативных послед' ствий накопительных процессов только на Волжском каскаде водохранилищ оценивается в 10 млрд.руб. Следует подчеркнуть, что отнесение срока работ, связанных с ликвидацией негативных последстви накопительна процессов, за 2000 г., приведет к необратимъзд изменениям в функционировать- Волжс1шх экосистем.

Результаты работ нашли применение:

а) Прц прогнозе возможных изменений качества води Иваньковского водохранилища на перспективу до 1980 г. в результате разви: отраслей народного хозяйства в бассейне водохранилища и осуществ. ыия мероприятий по пополнении его ьодных ресурсов, а такие рско-кеадеддЛ по предотвращена» зарастания водохрааклща и ухудаеаия качества вода в нем (Постановление Совета Министров СССР от 6.УЛ 1074 г. й 535, Распоряжение Прозидчгги АН СССР й 10103-76

ог 15,1.75 г.);

б) Гидропроектом при разработке мероприятий по улучшений качества вода Иванысовского водохранилища;

• в) Министерством мелиорации а водного хозяйства СССР г. друг ы:: организацию: при разработке ввроприятай по улуч^сша) качества годы других Вольских водохранилищ.

Апробация работы. Материалу диссертации дологекл на Бсесолс ком совещании по гкдротехигпа Цзшшгрзд, 1972), ВсесовзаоГ. копй рсацкл по проблема комплексного использования г охраны водна ресурсов бассейна йзлгк (Перл, 1975 г.), У1 Есесоьзкоа сгааозиут по соарсу.гник?.; проблемам ссаэочадыл юдоемог и у-ггулкрог-аик качества еоды (Тадлкн, 1579 г.), Всесоюзно!! конференции "Сценка

I классификация качества поверхностных вод для водопользования" [Харьков, 1979 г.), на 1У съезде ВГБО (Киев, 1981 г.), У Всесоюз-юм лимнологическом совещании "Круговорот вещества и энергии з водоемах" (Иркутск, 1981 г.), Ш Всесоюзном симпозиуме "Антро-югенное евтрофирование природных вод" (Москва, 1983), У1 Всесоюзны лимнологическом совещании "Круговорот вещества и энергии з водоемах" (Иркутск, 1985 г.).

Тубликации, Основные положений диссертации изложены в 22 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит 13 восьми глав и выводов, изложенных на 424 страницах. Машинопис-№Й текст составляет 272 страницы. Диссертация содержит 41 рису-гок, 112 таблиц, список использованной литературы включает 337 заименований, из. которых 44 - зарубежные.

КРАТКОЕ СОДЕЕКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена сущность проблемы накопительных процессо] в водоемах и ее актуальность, цели и задачи исследований. Даны основные научные положения, защищаемые в работе, практическая значимость работы. .

• I. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ НАКОПИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОЕМАХ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИХ РЕШЕНИЯ

В работе принята следующая стандартная модель круговорота веществ и трансформации энергии, которая определила задачи исследований и методические основы их решения. .

Единство всех природных вод обеспечивается за счет взаимодействия двух типов круговорота воды: абиотического и биотического. В основе абиотического круговорота легат процессы испарения и конденсации; биотический круговорот обусловлен фотосинтезом, при котором образование органического вещества происходит путей связывания вода и двуокиси углерода с выделением кислорода, а при разложении органического вещества выделяется вода и двуокись углерода. Циклический характер процессов, связанный с вращением Земли вокру; собственной оси и Солнца, определяет периодичность изменения переменных состояния круговорота веществ.

Определенная часть аллохтонног, органического вещества, посту шшцая в систему, разлагается с выделением двуокиси углевода и мин ральних веществ, которые, в свою очередь, идут на создание автохтонного органического вещества,'а при разложении последнего опять виделялтея эти вещества.• Часть веществ, участвующих в круговороте, ндкаядшается в системе.

Внутриводоешше процессы формирования состава и свойств речных вод являются частью биотического круговорота воды. На определенной стадии возникает избыток двуокиси углерода и биогенных элементов, за исключением азота. В это время появляются синезеленые водоросли, способные фиксировать неорганический азот и превращать его в органический. Массовое развитие синезеленнх замыкает цепочку накопительных процессов в системе.

Из этой модели следует триединство энергетических, вещественных и структурных характеристик круговорота.

. Энергетические характеристики определялись из уравнения фотосинтеза:

X300000 калорий лучистой энергии - 106 С02 - 90 HgO -- 16 N 0g - I Р04 + минеральные элементы = 13000 калорий потенциальной энергии, заключенной в 3258 г органического вещества (106 С, 180 Н, 46 О, IP, 815 г зольных веществ) 154 02 + 1287000 калорий рассеянной тепловой энергии (99%).

В работе' принята следующие переходные коэффициенты. Два грамма органического вещества (ОВ) или один грамм углерода содержит в среднем 10 ккал. Переходные коэффициенты к другим элементам .орга- .. нического вещества следующие: 3,2 мг 02/мг С, 10 кал/мг С, 0,69 мг ОВ/мг 02, что позволяет переходить от вещественного представления к энергетическому при описании процессов круговорота. Если плотность производства энтропии умножить на абсолютную температуру, то получим энергетическое представление термодинамических сил и потоков, а при делении на температуру - энтропийное.

Вещсственнне характеристики. Изучались растворимые газы, глав^-нейшие ионы, биогенные элементы, микроэлементы, органические веще-:тва. Кроме этого определяли: рН - концентрацию ионов водорода, 3 К. - окислительно-восстаковителъньй потенциал. Большинство x;n.oi-1еских элементов образуют комплексные соединения как с органиче-

скими, так и неорганическими лигандама, поэтому изучались комплексные соединения.

Структурные характеристики. Основной вклад в создание органического вещества принадлежит фитопланктону. Доля других продуцентов например, высшей водной растительности, в создании органического вещества на изучаемых водохранилищах незначительна и составляет '"менее 105?. Фитопланктон, например, на Иваньковском водохранилище представлен Солее чем 500 видами, разновидностями и формами, в нем доминируют в основном диатомовые, пирофитовыа .и эвгленовые водоросли, а при некоторых условиях, когда лимитирующим становится азот, сннеэеленые. На изучаемых водоемах средняя величина биомассы фитопланктона составляла 10 г С/м3. Скорость образования органического вещества составляла около 5 г/м3 в сутки. Количество продуцентов в I см3 - 200 тыс.клеток. Биомасса консуыентов и редуцентов составляет: зоопланктона - 4 г/м3, бактерий - 6 г/м3. При этом средняя численность зоопланктона - 50 тыс.экземпляров в I см3, а редуцентов - 2 млн.клеток в I а)3. Количество бактерий в донных

отложениях на три порядка выще, чем в воде. Размер бактериальных —й

клеток составляет 10 см. Среднее содержание некоторых элементов в биомассе продуцентов составило (в % от сухого веса): гелеза -0,3; марганца - 0,4; меда - 0,002; цинка - 0,02; никеля - 0,02; хрома и кобальта -

иг4. .

' Ыетодаческой основой изучения вещественных, энергетических е структурных характеристик круговорота веществ является интеграла ыое уравнение баланса изучаемой субстанции. Под этим уравнением понимают уравнение, описывающее, накопление любой величины с помощ! притока и оттока этой величины через рассматриваемую Б , ограни-чиваицую обгем V , и скоростью создания или ; ¡зру^ения этой величины' внутри объема, т.е.

J^t dV =-if)l ¿3 + J RJLCCV

■gTp * - у tt О j iVj M, V (I.I) •

Система уравнений гидрологического комплекса. Если удельная масса Я. 2 I, то уравнение (I.I) сводится к уравнению-баланса массы. Если положить а = и , то получим уравнение баланса импульса, если а= S , то получил уравнение баланса оптропии, если а » t, тогда имеет место уравнение баланса сум.щ удельной механической и внутренней энергии. Зта система уравнений описывает поведение 1"смеси" в целом.

Система уравнений химико-биологического комплекса. Описывает изменение концентрации разваренных веществ з воде - абиотическая составляющая С ) и в органическом веществе - биотическая составляющая ( pi }.■ Постольку переход абиотической составлявшей в биоти-ческуи при создания органического вещества и биотической в абиотическую при разложения его происходи? за конечное время, то вводятся переходныз сосгагнявдгэ J>i? s ' . Тогда

2ßi,i j\i + /Чс; i ! <Ь2>

или в безразмерной влдо

(¡Ъ * + (ръ + ¿р4 = { (1.3)

Подобным образом вводятся и другяз переменные состояния ?С i * |i. . В этих обозначениях для каядой из составляющих уравнение • баланса принимает вид (I.I). Изменение энергетической освещенности, создаваемой потоком ОАР го времени и ее ослабление с глубиной водоема с достаточной степенью точности описывается зависимостью

Л *> flsxp [ 5in( UiU l) - /t-а] (1.4):

где yiL» + ; Jlt ■= 0,04 I/м - коэффициент рассеяния света; коэффициент ослабления jb> - К'В ; К =0,15 и2Лег; & - концентрация взнесенных веществ мг/м3.

■¿асима уравнений гидрологического а хишко-баологического кошь дексов незамкнута, требуется дополнительное соотношение - "урав-•яедяв состояния" круговорота г накопления веществ. Оно отражает взаимосвязь вещественных, энергетических в структурных характеристик систе^ш я определяет функции R¿, входящую в уравнение (Z.I). Оункшо коротко вазовен функцией накопления.

Основной задачей исследований является экспериментальное определение функции накопления что и определило цели и частные задача, указанные вша.

2. ОБШТ II МЕТОДУ ИСОВДСВШЯ

Круглогодичные исследования проводились в верховье р.Волги от ее потока'до Угличского водохранилища. На ряс.1 представлена схема верховья р.Волги с' обозначением точек отбора подзешшх вод, атмосферных осадков и речных створаз. Всего было выбрано 9 основных створов по длина рзкя п 8 створов на Иваньковском водохранилище. На кагдо:: стаоро исследования велись на иенее чем на трех вертикалях п на кагдой вертикала измерения проводились в трех точ< ках - на поверхности, 0,6 В и'лрвдоняой области. На этих створах и в отдельных точках проводилось изучение:

а) сезонных колебаний фазико-химических показателей, ¡¿аг.ро-и вдкроЕОмпонеитного состава проб воды, отобранных по восыа стъс раа водохранилища и девяти створам в верховье Волги;

б) сезонных колебаний физико-химических показателей, макро-s макрокоипояентпого состава в пробах воды, отобранных по следую: осиовкиа првтохаи водохранслкят: р.Твврца, Тьыака, Opea, Лвиа, Еоса, Торатшка, Дойбета, Созь;

б) состава подземных г грунтовых вод, отобранных в колодпах и буровых окваханах, расположенных в верховьях р.Волга в по Зера< гаа во'охрааклцщз;

^Торжок Ж

1

Усло&м бШначения х т*Чкш ат£ер0 /юЫммш

I-.....I р***ш* ст&ар* *яаср4

я ятхи набора прв4 вашкфрыж асоЬи

Рис Л. Карта-схема: верховья Волги

г) состава атмосферных осадков;

д) взвешенных веществ, отфильтрованных пз проб воды, отобрад-ннх в различное Ерем года;

е) высшей водной растительности, отобранной по створам водохранилища в вегетационный пер под;

а) донных отложений как возмсшюго источника вторичных загряз-• нений воды Иваньковского водохранилища. В гробах стандартными методами определялись следующие показатели: мутность, цветность, концентрация водородных ионов, окпслатедьно-восстаноЕительпый потенциал, содержание растворенного кислорода, температура воды, пернаягенатная окпсляемость, щелочность, кальций, магний, хлориды, сульфаты, натрий, палий, азот аммонийный, азот нитратный, азот нлтрптный, фосфор минеральный, углерод орга-ничвекпй; из микроэлементов: железо, марганец, медь, шиш, хрен, лцтпй, стронций, селен, ртуть, теллур, барй», сурьма, цирконий, серебро, рубидий, кобальт, уран и др. Экспериментальные методы исследований вкдочаля в себя стандартные и оригинальные аналитические методики по определению первмешых состояния, входящих в уравнение (1.1).

Определение растворенного в воде кислорода проводилось по методу Еип.шерз, о.шсляемость (пзрманганатная) - по Кубеяэ, цветность - в градусах по пдатило-кобальтогой шкале, щелочность --обгекныи методе:,'., кальций и магний - трилоыо.метрическлц методом, хлориды - по методу Мора; минеральный фосфор и все форцу.минерального азота - колориметрически с помощьп СЭК-55; сульфаты определялась не':ело;л.трическии методом; натрий и калий - на пламениоа фотометра 11115-21.

Содераание микроэлементов в воде, взвесях, донных отлозани-.11 с жчсавИ ьодзоГ: рьсгительлостл определялась иетодсч ьтомной

абсорбция на спектрофотометре фирмы "Регкеа Ет1ег " модель 403 после предварительной подготовки проб для анализа. Пробы высшей водной растительности и фитопланктона отбирали в вегетационный период по тем же створам, что и пробы воды'и донных • отложений. Определение первичной продукции проводилось скляночным методом в кислородной модификация.

Суточная динамика скорости фотосинтеза выявлялась при экспонировании склянок от 2 до 24 часов.

Параллельно о исследованиями первичной продукции фитопланктона изучался его видовой состав и биомасса, характеристика ФАР. Применяемые методики исследования обеспечивали доверительные интервалы не болев 155? от средних значений изучаемых величин. .Объем проанализированного материала составил рколо-300 тис.показателей; расчеты производились на ЭВМ. На этой-машине рассчитывались форьш находдения химических элементов в речных и поровых водах.

Полученные нами гидродинамические характеристики были сопоставлены с материалами исследований "Гядропроекта". Это сопоставление показало, что средние значения за период наших наблюдений практически не отличаются от значений, полученных *Гидропроектсы" за предыдущие 1"оды. Коротко эти наблюдения сводятся к следующему.

Общая характеристика бассейна Иваньковского водохранилища. Общая площадь водосбора Иваньковского водохранилища в створе

о

плотины равна 41000 км . Средняя густота речной сети составляет 0,2 км на I км^ водосбора. Общее количество рек на водосборе превышает 700. В пределах водосбора заполнено более 20 водохранилищ с суммарным объемом и площадью, превышающими 4,3 ш3 а 740 п? соответственно.

Иваньковскоа водохранилища иыаат при НТО" следующие параметры:

"нсишый объем - 1,12 кы3, полезный объем - 0,81 кы3, площадь водно- Р -

го зеркала - 327 км' , длила - 113 юг, протязеяность береговой линия - 520 км, средняя глубина - 3,4 км.

Водный баланс. Иваньковское водохранилища осуществляет неполное сезонное регулирование стока верхней Волгл. Регулирующее влияние на водные ресурсы водохранилища оказывают Верхневолжский гидроузел а реконструированная в послевоенный период Вигшеволошшя система; в общей приходе воды в водохранилище'поверхностный сток составляет около 97$. Большая его часть (почти 52^0 от годового стока) поступает в водохранилище Еесной. Осадки на зеркало водохранилища - вторая по величине статья приходного баланса - составляет • одело 2$ обчвго прихода. В расходаой части баланса на первом месте стоят сброс через гидроузел - 7,7 км3 яли 83$ общего расхода. Забор воды в капал ша.Ыосквы составляет в последние года более 1/3 от общего расмода води. Суммарное испарение о водной поверхности близко к сумма осадков, выпадающих па зеркало водохранилища.

Рвтпц уровней, Иятансавнп» наполненпо водохранилища после продполоводиой сработкд начинается в конца марта - начало апреля ■ в продолжается в течение 15 днай. Высокие уровни сохраняются, как правило, до конца мая - начала июля - окончания спада половодья. Средня^ многолетний уровень за июнь - сентябрь близок к КЕТ к обычно достигав? его во время осанны: . дводков. После установления ледяного яохроза начинается зимняя сработка водохранилища, продол-хавдался до конца карта - начала апреля. В зависимости от водnocís года а графика работ Иваньковской ГсС общая прадполозодаая сработка составляет в средней 4,5 и.

Т.ечпнпа г, волнение. Нашего низе г.Кплзнина скорости тачания оостьзляют 0,2-0,3 «/сек, во spo.v.,: весеннего половодья -• 0,3-0,4 и/сак. На участке водограку.лаиа от г.Калинина до устья Соыа

скорости составляют 0,07-0,15 ц/сек в зависимости от периода коле- ■ баний. Ниже устья Шока скорости течения значительно меньше (0,06-0,14 м/сек), чем в его верхней части. На прзплотшшом участке водохранилища скорости п направления течения резко менйются. Весной они не превышают обычно 0,03-0,07 м/сак, достигая иногда • _ 0,14-0,16 м/сек. При резком уменьшении или полней прекращении сброса вода через гидроузел возникают обратные уклони еодной поверхности, определяющие возникновение обратных течений (до 0,06 м/сек). Вследствие небольших глубин и ширины водоема высота волн не превышает. 1,2-2,0 и (при северо-западных и юго-восточных ветрах). Высота волны 1% обеспеченности по судовому ходу Волжского плеса (нияе впадения р.Шоип) при западных и северо-западных ветрах 10 м/сек равна 0,3-0,8 м. •

3. ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ВОД В ВЕРХОВЬЕ ВОПИ

Верховья Волги, начиная от истока, исследованы с целью установления "фоновых" концентраций в водах и донных отложениях для ряда химических элементов, которые-соответствуют природным процессам ■ в отсутствии антропогенных факторов и могут служить в- качестве эталона для сравнения.

Приведем состав главных компонентов истока р.Волгл для конца зима (февраль) в мг/л: НСО" - 42,7; S о|" - 7,0; 01"- 3,1;

N02" - 0,02; N0" - 0,07; POf* - 0,009; Са2" - 10,0; Ц<}2~ - 6,0; Nat - 1,7; Kt - 1,2; NH| - 0,12; общая минерализация 85 мг/л, рН - 6,2 (в оз.Стерз - 8,35); цветность в градусах -60 (в оз.Все-луг - 25). Окисляемость - 11,2 02/л (в оз.Вселуг - 3,0 02/л). Количество макроэлементов в мкг/л: Xt - 0,35; Sr - 25; Fe - НО; Ma-20; Zn - 28; Си - 1,0; CA - 0,13; H- 0,93; Or _ 0,03.

Содержание микроэлементов в донных отложениях в Верхневолж-скмх озерах невелико и составляет в среднем (в г/кг сухого веща' ства) Мп. - 0,7; In - 0,007; Си - 0,02 (Эга данные близки к средним величинам концентраций в осадочных породах и могут слу-лйть образцом фоновых концентраций микроэлементов).

Состав главных компонентов в пробах снега (для марта месяца) : следующий: 'НСОд'- 12,1; 5о|" «. 9,8; СГ- 4,9; NHi,- 0,9;

N.02 - 0,05; NOg - 0,58; Р0~ - 0,2; Na+- 2,4; Kt - 0,3; pH - 5,4; Bh. - 470; окисляемость - 3,0 02/мг/л.

Среднее содержание микроэлементов в снеге (мкг/л) Fe - 71,3; Mil-27,5; Си -4,3; Zn.-41,7; Сг - 0,65;'JCL - 0,23; Sr- 13,0; Со - 0,05; Sc- I.2.I0"2; /1U - 0,014; Ba -' 14,0; Cs - 0,03. ' "

Состав подземных вод. Концентрация микроэлементов (икг/л): Fe - 530; Ми- 30; Си. - 20; Zn - 45; Сг - 4,0; SГ - 2300; <& - 8,0. Общая минерализация исследованных вод - 0,91 г/л. ;

Состав грунтовых вод. Микроэлементы (мкг/л): Fe - 240;. Mrs. - 97,0; Zn - 130; Си - 8,5; Xt - 1,5; Sr - 131; iU -ot 0,5 до 150; Ьа- от 10 до "60;. Сг - 0,02-0,06; Cr sr' 1,0. Необычным для грунтовых вод является высокое содержание рубидия, и калия в водах в колодцах поселка Городня и Слобода. Проведанные наш исследования показали, что поступление их происходит при раст-ворояии атмосферным осадками калийных удобрений, применяемых в' атом раЯоне.

А. 'ОБЗЙ ЩРОВЬМЧВСШ И ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ' ХАРАКТЕРЛС'ШМ ЦВАНЬКОВС.ЮГО ВОДОХРАШШЩА

Материалы исследований общих характеристик Иваньковского водохранилища в первые 2 года его-существования (А.Б.Щербаков, В.М.Биск; БЗ.Мейсяер) покпзали, что эта характерисэикд в основном изменялись .

в тех я9 предала!, какие были присуди реке до зарегулирования. .Изменения в сторону увеличения отмечена для соединений азота, фосфора, а такле цветности и окисляемости. Это увеличение было связано с затоплением новых площадей.

Исследования были продолжены сотрудниками Института биологии внутренних вод АН СССР (Н.А.Три?онова, С.М.Драчева и др.), в, которых они такле установили возрастание в последующие годы содержания аммонийного азота, сульфатов, окисляемости я цветности. Зимой 1980 г. общая минерализация составила (в иг/л) - 38,0, в том числе 1\1д*- 19; К? - 3,2; Мд*- 12,2; Са*+- 59,3; НС03~ - 240; ЗО^'-ЗЗД* рН - 7,2. ■.."."

Установлено, что общие показатели верховьев Волги практически на менялись с 1902 г. и находились на урЬвне-значений, указанных в главе 3. Из этого можно сделать вывод, что увеличение общей минерализации за время существования водохранилища произопло в 4 раза.-Отмечено следующее изменении этих показателей по сезонам года. Весна: общая'минерализация - 145,2; рН - 7,1; 9,6; Мд - 4,5;

С*" - 22,6; НС0~ - 82,5; 30 21,6; СГ- 4,4. Лето: общая минерализация - 207,2; рН - 8,3;_ МаЛ- 6,8; К^ - 2,0;. Мд. - 8,5; СА - 32,5; НСОд - 123,5; 5ОГ- 27,5; С1~ - 5.6. Осень: 21 - 258,7; рН - 8,0; Мд+-' 10,7; К?- 3,1; М^-'7,5; С а1*- 42,9; НСОд - 169,0; 14,0; СГ - 11,5.

Другие показатели: зим - цветность - 3,6; ЕЬ. - 298 мв; оки-сляемость - 12,8 мг О/л; N Н/, - 0,57 мг/л; N0^- 0,007 мг/л, М05- 0,08 м^/л, РО^ - 0,017 мг/л. Весна: цветность - 49; Ек - 450; окисляемость - 18,3; N 0,54; N0^- 0,007; М03"- 0,1; Ро|" - 0,31. Лето: цветность - 52; Е К. - 370; о:::юля-1 емость - 10,2; МЩ-О.бЭ; N0,"- 0,17; N0"- 0,07; Р0|- 0,11; Осень: цветность - 38; Ек _ 414; окпсляемость - 11,8; — 0,50; •N0^- 0,007; N0^- 0,19; РО^" - 0,035.

Если продукция органического веществе в исследуемых водоемах | лама тируется двуокисью углерода и сбалшсаравана со скоростью поступления двуокиси углерода при разложении органического вещества, ; то »зменваия концентрации главных компонентов в воде тесно связаян с продукциоано-деструкодоннымя процессами внутри водоема г выражаются, например, для Са ; М^; НС03 ; $0^ функциями вида

Р/Р«сн* =«/>(-0,5 51а и)1) а для МзГ ; К~ ; С С"

/>/%<„« = «хр (0.5 со:>и)1) м) = гх/г ; т = I год.

На рис.2 представлено изменение НС0~ по сезонам года я нормированная функция р ■ ех/)(-0,5 51Л и){). ?

Вышеприведенные значения основных характеристик относятся• к районам водохранилища ниже У створа - створа полного перемешива- Г яея вод.рек Волга и Шоши. Средний расход р.Шоши составляет около II/? общего притом в водохранилище. В главе 4 приведены также общие , . показатели вод для рек, впадающих в Иваньковское водохранилище: рр, Тьмака, Творца, Орша, Лама, Дойбица, Сучок, Донховка, Созь, ручей Переыерки. Например, для р.Шоиш средние значения за 1976?-1982 гг. составили: зима: цветность- 29,8; окисляемость .- 9,0; NНц - 0,65; МОд- 0,25; РО^ "- 0,03, а для лета: цветность - 52; окисляемость - 13,4; ЫН^- 1,1; Р0~ -.0,08; Р0|~ - 0,063,

Нзсиотря на значительные изменения основных характеристик притоков Иваньковского водохранилища в прнплотинном участке (мезду УП и УШ створами) сезонные характеристики сохраняли стабильное значения за врелю проведения исследований. Этот ^ывод указывает . на то, что формирование состава в свойств речных вод в этом ра£ояе почт« целиком зависит от внутрнводоеыянх процессов круговорота

и накопления веществ, поэтому можно говорить о Стййягаьности экосистемы в данном район», т.е. о гомеостазаг сагеимзг, однако г тот гомвоотаз не полный: идет медленное увеличение средних значений ' главных компонентов по закону

, у = рЫЬ) (4-2).

где о1 - коэффициент накопления составляет около 0,04 1/год.'

5. ШКР0ЭЛШЙГШ В НЗАНЬлОВИЩ ВОДОХРАНИЛИЩ?, ИХ ГЕНЕЗИС И НАКОПЛЕНИЕ •

Часть поступающих в водохранилище микроэлементов выводится из растворенного состояния в результате химических ифизико-хими- • ческих процессов.: осаждение труднорастворимых соединений, сорбция ' взвешенными частицами. Большое влияние на содержание растворенных микроэлементов оказывают растительные организмы, накапливающие макроэлементы, необходимые"для их жизнедеятельности. Этот процесс до некоторой степени обратим, так как после отмирания и разложения растительных остатков часть накопленных микроэлементов -возвращается в растворенное состояние, но значительная часть накапливается • ' в донных отложениях в составе органического вещества; падающего на дно вместе с осаждающимися труднорастворимыми соединениями и сорбированными на взвесях микроэлементами. Таким образом, эти ■ . процессы приводят к накоплению в донных отложениях значительных количеств микроэлементов, могущих в соответствующих условиях слу-гить источником вторичного загрязнения водоема.

В связи с этим изучался состав донних отлозеняй Иваньковского водохранилища для выявления процессов миграции и взаимообмена хиылческих элементов меяду твердой и ясядкой сазами илов. При этом , особенно вахно изучение состава пэроззых вод доатах отложений, . так как миграция химических элементов из твердой Тлзи в жадкуя

р!р1еаа

Рис 2 Нормированная функция р - е-Х£>(-0.5п содержание ЦСО" по. сезоны.! года. Зима -. 240 :.1г/л, весна - 147 иг/л, лето - 125 иг/л, осень - 160 иг/л. Нормированное значения: весна - 1,00; зима - 1,62; лето - 0,85; осень - 1,10 ——>- - теоретическая кривая " "

ШЗйЗ ~ оС>ласть экспериментальных данних

приводит к разному изменения их состава. В настоящее время хорошо известно, что химические элементы в природных водах находятся яа только в виде простых ионов,' но л в форме ассоциированных или комплексных соединений. При этом наиболее сложными являются '. формы нахождения микроэлементов, для которых комплексные соединения прообладезт над ионными. Это весьма вазао с точка зрения процессов массопераяоса, так как разные соединения одного и того же элемента имеют различные коэффициенты молекулярной диффузии, и поэтому вторичное влиянии поровых вод донных отложений до некоторой степени будет зависеть от нахождения в них химических элементов. Исследования показали, что кислотно-основное и окислительное состояние донных отложений и содержание в них металлов, состав поровых растворов донных отложений практически яе менялись в течение всего срока наблюдений. Незначительные изменения этих показателей происходили до глубины 3 см от поверхности донных отложений.

Состав поровых растворов донных отложений одной из точек наблюдений у плотяйн был следующий (в мг/л): Nü+- IS.O; ICJ" - 6,4; Mi/V 39,0; Ca" 88,2; WH«-21,8;' Fßl>- 12,2; Mtl-5,1; Cui+_ 0,005; In- 0,38-f KC0'~ - 545,5; S0|l 2,2; Ct - 30,0; • Mft- 3,2; общая мииератазация - 739,5.

- Общая минерализация порозы* Вод превышает минерализации волг.сг'ой воды в 3-6 раз, а в одном случае в 10 раз. Из главках компонентов состава наиболее заметно возрастает содержание гидробноитов и щелоч-но-земельных элементов, Гидрокарбояатныа попы в поровых водах образуются вследствие разложения органических веществ, а та:ггв под воздействием микробов, восстанавливающих сульфаты до' сероводорода и минерализующих органический углерод. Выделяющаяся свободная С0~ способствует растворению-карбонатов кальция а магния. Се рог-оде;, од сзязь'взвтся железом, образуя сернистые соединения, скращеяныг в чзря:;" цвет. Сявдует отметить, что обычно плат дсякыг отлсггея^.

(илов) серый, и только некоторые образцы были черного цвета. Одновременно о биохимическим образованием сероводорода в илах может идти и его окисление за счет деятельности тионовых бактерий, причем в конечном счете образуются ионы сульфатов. В.связи с преобладанием тех или иных биохимических и физико-химических процесса! содержание сульфатных ионов в поровых водах изменяется в широких пределах - в некоторых пробах оно ни-.е, чем в речной вода (9 мг/л), в других значительно выше' (до 117 мг/л). Соотношение различных форм элементов в растворе было оценено путем термодинамического расчета равновесного распределения этих форм. Расчеты выполнялись в ¡гПУ совместно с ДЗ.Гричуком по программе ГИЕБС^ разработанной Ю.В.Шваровым (1976), в которой реализован алгоритм поиска минимума свободной энергии Гиббса системы.

Проведенные исследования показали, что в поровых и речных водах содержатся много различных, главным образом, комплексных со- : единений. Комплексообразоваиие играет значительную роль для главных катионов (кальций, магний, натрий и калий) в растворе, однако, содержание их свободных ионов обычно преобладает над содержанием их комплексных соединений на 1-2 порядка (в расчете на иоляльность Это зависит также от состава изучаемой воды; так, например, в одно из проб с- исключительно высоким содержанием гидрокарбонатов концен

тршаи комплексных ионсв МаНСО, цСаНСО имеют тот же порядок,

• Э и ^ Г г+

что и концентрации свободных ионов П| и .. Щелочно-земелыше

элементы в значительной степени комплексаруются также с фульво-уислотама и гумаяавнми кислотами в поровых водах с высоким содержа нием органического углерода, но намного меньше в речных водах, поскольку последние-содержат в 5-10 раз меньше органического углерода. Макроэлементы, как.правило, более закомплексованы, чем глав-вке катионы. Для удобства сравнбния <орьш их нахождения вычислены г. кольлых процентах от обчего содержания кпздого макроэлемента. - -

в водах. Наибольшей закомплексованностью обладает медь, причем ддя нее очень характерно образование комплексов о органическими лягаядвмя. Суша этих комплексов в пороеых водах составляет более 90 моль!?. То же самое наблюдается для речной вода в зимний период. Только при повыпении значейия pH речной вода летом медь образует" гидрокомплексы, составляющие большую часть (57,1 \шь%) от о в общего содержания, и в этом случае органические комплексы меди находятся на втором месте. Содержание свободных ионов меди незначи- ■ ■ тельно во всех образцах вод, как поровых, так и речных (от 0,14 . до 0,7 моль;?).

В речных водах намечаются такие же тенденции распределения .

I .

$орм нахождения такрозлементов, однако в количественной отношении она более отлажены.

■ ' Среднее содерзание других микроэлементов в донных отложениях составило в г/кг: рубидий - 0,05; стронций - 0,3; барий - 0,33; титан - 1,5; марганец - 1,18; хром - 0,058; ванадий - 0,09; никель -0,058; кобальт - 0,0068; медь - 0,147¡'серебро - 0,00017; цинк -0,84; свинец - 0,04; олово - 0,0028; молибден -0,001; таллий - • 0,017,- скандий - 0,0022;- итрий - 0,013; цирконий - 0,25; ртуть - ' 0,01; сурьма - 0,003; селен - 0,0001; теллур - 0,017; ураа - 0,001; среднее содерзание микроэлементов во взвесях на выходе из системы : (для частиц диаметром 0,05 ш) составило: Fe - 25,2; Мп- 4,6;

2п -1,5; Си- 0,25;. Ct - 0,08; Cd- 0,005; Р£ - 0,6. Среднее содержание микроэлементов во взвесях для рек мира составляет: Fe - 50; Мп- 1,1; Za - 0,31; Си - 0,03; Ct - 0,13; • Cd - 0,0007; P( - 0,1. Содерзание сурьш во взвесях составило 0,002 г/кг весной п 0,006 г/кг летом; среднее содерзание во Езве-сях для рек мара - 0,С02. Содермние во Езвесях урана - 0,01,' •что значительно превышает его содер.тлаие во взвесях рек кара ^ (0,0012); кобальта - 0,02 (рекиПара '- 0,018); ¿¿я почв - 0,008.

Концентрация бария во взвесях довольно высокая, особенно в летний период - 0,6 (для рек мира - 0,3),

За исключением железа и хрома все микроэлементы накапливаются во взвесях Иваньковского водохранилища в несколько раз больше, чем в среднем во взвесях рак мира.

6. НАКОПЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Состав и свойства вода водохранилища определяются,главным образом,поступлением веществ с водосборной площади и протеканием внутриводоемных процессов. В самом водоеме вследствие синтеза и преобразования органического вещества гидробионтами изменяется содержание биогенных элементов. Наибольшую роль в процессах трано формации веществ играет развитие альгофлоры и высшей водной расти тельности. В главе дана количественная оценка роли различных исто Тиков и процессоз в поступлении органических веществ в водоем, составлен' баланс органического вещества и биогенных элементов Иваньковского водохранилища. В приходной части баланса учцтывалпс следующие статьи: поступление веществ, с речным стоком, атмосферны ми осадками и при антропогенном загрязнении (с учетом роли городских и сельсгих населенных пунктов, сельского хозяйства, торфоразработок, речного транспорта и рекреации), а тают попадание в водоем органического вещества и биогенных элементов за счет процессов -лпнедектельностп альгсфюры, выспей водной растительнс сти,' гетеротрофной ассимиляции СО^. В расходной части баланса учс ть'гели сток веществ через гидросооружения, убкль веществ при пом щекпп их из года $стоо::лтсти:<а:.:и и при манерплизапил в толче вод. у-од в допкке отло.гог.пя с детритом, а тр:с*е изъятие их из годоамг г г .где полого;; пробка.":.

Составляющие баланса- углерода, азота и фосфора Иваньковского водохранилища следующие. Годовая-величина автохтонного органического вещества составила 171,4 тыс,т С... , а продукция фитопланк-гона 41£ (69,5 тнс.т) от всей автохтонной органики. Продукция выспей водной растительности составляет 54 тыс.т. Всего от раститель-яых сообществ накопление органического вещества составляет 85 тыо.т ''орг.' из 1131 тас«т автохтонной органики накапливается в Иваньковском водохранилище, а 21 тыс.т С0рГ> поступает в Углическое водохранилище и канал им.Москвы. Приходная часть баланса для азота -. 55,2 тыс.т, а для фосфора - 5,71 тыс.т. '

Расходная часть: для азота - 49,6 тыс.т, для фосфора - 4,7 тыс.т. • 1а^опл8йие этих веществ составило для.азота 5,6 тыс.т, фосфора -1 тыо.т. В донные отложения поступает 2,78 тыс.т азота, 0,35 тыс.т 'оофора. ' .

1 Биомасса фитопланктона увеличилась по сравнению с 50-нми года-дц в 2-6,6 раза; до 1973 ,г. средняя шоголетняя величина биомассы фитопланктона составляла 5 г/ы3, а среднегодовая не превышала

г/и3, в последующие года эти величины составляли 14,53 г/н3 ■ I 12,30 г/м3. Особенно значительно увеличение биомассы синезеленых юдорослсй (в 8,6 - 11,5 раза), показателей численности диатомей > 1,2-2,2 раза), продукции фитопланктона (в 1,2-12,0 раз) в слое юксиыаяьного фотосинтеза, концентрации хлороф)илла (достигает !51 мкг/л). Позндеяие показателей развитая водорослей свидетельсгчу-1Т о наличии благоприятных трофических условий, а тагам о разжатии фсцзсса эвтрофированая. Содержание органического углерода летом • ¡оставляет 12-25 цг/л, зимой - 24-43 мг/л, отнояение пермапганат-[ой окисляе.чости к бихроыатной составляет зимой 24-43*, летом -

ч

Отноизние деструкции к продукции органического вещества в.Сать-¡инствв случаев составляло 1/2, однако" наблюдались значения I;

1,5; 2,5; биомасса в среднем возобновлялась за два дня. Устойчивые значения переменных состояния мояно объяснить, исходя из следующей модели круговорота веществ и ее математического обоснования. Процессы круговорота веществ могут иметь место, если одид из циклических потоков кинетически сопряжен с другим потоком, который создает двияущую силу для первого потока. Б большинстве случаев природа круговорота реализуется как минимум в двух сопряженных циклических потоках, которые поддергиваются за счет потока солнечной энергии, последняя в конце концов рассеивается в тепло. Для характеристики любого циклического процесса необходимо знать три величины: максимальное отклонение или амплитуду колебаний; число колебаний в единицу времени и фазу колебаний, которая играет существенную роль, когда мы имеем дело с несколькими связанными ывзду собой процессами. Действительно, так как выбор фазы колебаний вполне определяет начальный момент отсчета времени, то ее нельзя выбирать произвольно, если начальный момент времени ужа задан -.—^каким-либо другим процессом.

Б процессах круговорота всегда проявляются регулярности -так называемые симметрии, и они определяются частотными и фазовыми характеристиками. Накопительные процессы характеризуют разомкяу-тость циклов круговорота или диснмметрию процесса. Эта дасикмвтрия -процесса связана, в первую очередь, с тем, что частотные и фазовые характеристики переменных состояния, описывающих круговорот вещесп внутри системы, не совпадают с характеристиками "внешних" сил, в частности, с фазовыми и частотными характеристиками &АР при описании евтотрофных сукдессий или подобным характеристиками изменения органического вещества при описании ге/еротрофных сукцессии.

Безразмерные величины соотношения (1.2) представим в виде

-<P«+'l%\ (6.D

плл коротко (рЛ (А- 1,2.) и соотвегствеяно R- ; J. ' В этих обозначениях балансовое уравнение имеет вад (I.I). Затеем преобразование переменных состояния в следующем виде (У* - f л. '

(6.2)

= Хер' + ß(p (fl* = j (р1 +

коэффициента U> ; jb ; j, ; § связаны соотношением

oiß + Sj = i , ■ f6-3.)

что приводит к инвариантной билинейной форме

(р'" ^'- СрЕ'<р''= (dtjb* $j)((f' (f1- (рг <р1) (6.4)

Преобразование (6.2),'оставлявшее инвариантной билинейную форму (6,4), называется спилорным, а комнлекснозначяыз функции if> называются спинорами ,

В частности, этому преобразованию соответствуют функции вида

(pt*cxp (tLcosj,uJl V (Рг = егер ^гс. sia|ll)t) «ехр (-а cosjtOL); (д = схр (-а süij u)L)

(6.5)

113'. где i =—~ ; I;~2~ ; ~ Eaca неприводимых представлений

группы вращений. .

IIa рас.З представлены нормированные функции (6.5). Следует подчеркнуть, что в любом ссчекпя сума -значений этлх четырех нормированных фунл'ий рзгпа 5,1.

Изменение главных компонент, например, вида (4.1) onrictir^irc. ззвислаостпя! из класса ?упкши (6.5).

Изменение солнечной радиации можно выразить абелевой группой, где единственным параметром является угол вращения, изменяющийся з пределах от 0 до 2%. Между групповыми свойствами, описывающими создание автохтонного органического вещества и абеловой группой, естественно существует автоморфизм. При -том циклическая частота скорости создания органического вещества совпадают о циклической частотой изменения солнечной радиации.

Однако группа симметрии переменных состояния, к которым относится не только скорость создания органического вещества, но и его разрусение, является группой, дважды накрывавшей группу вращения или сшшорной группой. Отсутствие изоморфизма между этими группами (т.е. ¡.-.езду внешними л внутренними переменными состояния), порождает фазовую и частотную дисимкетрню в процессах круговорота. Эта дисгмметрил и определяет протекание процессов круговорота и накопления автохтонного органического вещества. Эта дисишетрия связана с теп, что при преобразования спкиорнне переменные состояния ведут себя своеобразно. Они меняют свой знак при повороте на 2ЯГ вокруг любого направления. Только при повороте на 4 Ж такой спинор приобретает исходное положила. Эта диспкмвтрил приводит к тому, что скорость создания органического вещества гтрл прочих равных условиях всегда больше скорости его разрупения. Таким образом, процессы круговорота, накопления вещества и трансформации энергии в экосистемах адекватным образом описываются на основе едопстза теории симметрии п дисн.глетрии. Это полозенив- является теоретическим обобщением по процессам круговорота и накопления веществ в экосистемах вообще и з системе река-водохранилище в частности.

7рн I/ = 1/2, старость накопления равна

а .

¡ч. накопления = 1/2 ¡я. создания ' (6.6)

по практически соответствует экспериментальным значениям, грпведенным вк^е.

Установлено, что коэ^флиенты биологического накохгек,:л с&э-/одной плаьахке?. растительности составляет для желаза - 17'<0,

марганца - 9000, цинка - 1160, меди - 414.

7. НАКОПЛЕНИЕ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЦЧСТВ И ОЦЕНКА

СТЕПЕНИ САПРОШОСТИ ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Основным источником взвешенных веществ в Иваньковском водохрани лшце являются: I) сток' взвешенных веществ рек; 2) размыв берегов и дна; 3) развитие фитопланктона и высшей водной растительности. На основе обобщения экспериментальных данных установлено соотношение между содержанием взвешенных наносов в потоке и гидродинамическими характеристиками потока. Эта зависимость приведена в ■ основных научных положениях, защищаемых в работе. Входящий в эту зависимость энергетический спектр поля ветровых волн определяется по соотношению

~где и - скорость ветра; г^ - безразмерная высота волн, определяемая из уравнения В.В.Шулейкина

ТГ - безразмерное время действия ветра; £ - безразмерное расстоя ние от наветреного берега. Если ввести координаты

(7.1)

<0^ [ехр (^У-1)

(7.2)

Хг а-и)- г/* ц. <о* Дг (и))

(7.3)

то уравнение (7.1) можно записать в виде

КтМ

Пользуясь этими зависимостями, удалось получить, что средняя скорость шшзяления составляет 2;103 г/м^. год. Был составлен балано ззвепенинх веществ Иваньковского водохранилища за 50 лет. Из этого баланса следует, что ежегодно в Иваньковском водохранилище накаплиь ется 650 тыс.тонн донных отложений. Учитывая, что площадь донных отложений составляет около 300 к?, получим, что скорость накопления почтя равна теоретической 2'103 г/м^тод. Были подсчитаны величины "индексов" сапробности для различных плесов Иваньковского водохранилища; средний индекс сапробности S = 2 ( ß> - мезосапро-бный водоем, что соответствует слабому загрязнению). Тем не менее следует учитывать в отдельных районах водохранилища наличие oL -мезосанробных условий (индекс S =2,8), что соответствует условиям загрязненного водоема.

i

8. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВОЛЬСКИХ ВОД

До создания каскада водохранилищ химический состав волжской воды изменялся таким образом, что весенние воды обладали наимень-пей нейтрализацией, а во время летней и особенно зимней межени общая минерализация еоды была наибольшей в связи о увеличением дола подземного питания.

В настоящее время вследствие зарегулирования Волги ход годичных изменений волжских вод стал иным. Наибольшая минерализация волгской воды наблюдается весной, наименьшая - летом, осенью и Еесной наступает лишь небольшое ее повышение. Следует подчеркнуть, что внутриводоемные процессы, в том числа накопительные процессы, оказывают решающее влияние на формирование состава и- свойстз ВОЛ2С1ЛХ вод, однако это влияние следует рассматривать совместно с источниками антропогенного загрязнения. Всс ото npzxö-дит к тему, что не только изменился временный ход состава а свойств

вод, но и пространственный. Вниз до течению волжская вода постепенно изменяет свой состав за счет увеличения содеряания ионов сульфатов и хлоридов, щелочных металлов и в сеязи с этим происходит повышение общей ее минерализации, а также обогащение ее микроэлементами и органическими соединениями. Состав воды из гидро-карбонатно-кальциево-магниевого становится гидрокарбонатно-сульфаз но-хлоридно-калъциево-магниевым. Изменился состав и свойства вод основных притоков р.Волги: рек Ока и Кама, Например, после впадения р.Москвы з Оку, в окской воде увеличилось содержание сульфатов, хлоридов, щелочных металлов антропогенного генезиса.

Химический состав вод р.Камы в настоящее время сально отличается от естественного для нее состава. После создания водохранилищ и широкого развития химической и нефтехимической промышленности, черной и цветной металлургии и машиностроения изменился как состав камской воды, так и характер сезонных изменений. Б вод* сильно возросло содержание хлоридов и натрия, причем хлориды ста-г -ловятся преобладающими анионами. Общая минерализация волнской води ниже г.Рыбинска составляет .' ' 176 мг/л, а в Волгоградском водохранилище 233 1-х/л, при этом содержание хлоридов изменилось

от 4 мг/л в Рыбинском водохранилище до 35 мг/л ниже г.Астрахани, 2.-

а ЬОц в этих точках изменилось с"12"мг/л до 39,0 мг/л (материалы экспедиции на 5.09.1930 г.). В 1930 г. в волжской воде наблюдалось сильное повышение Содержания азотных соединений, в особенности нитритов по сравнению с 1979 г. Так, содержание ашонийных ионов составляло в 1979 г. в русле 0,3 мг/л, а в 1980 г. достк-' гало 2,3 мг/л, нитратов в 1979 г. - 0,2 мг/л, в 1980 г. - 3,3 мг/. нитритов соответственно - 0,02 и 0,2 мг/л. Содержание фосфора в волжской воде во время проведения .экспедиционных исследований было всегда довольно высоким, причем наблюдался резкий пик после

впадения р.Оки. Общий объем сточных вод, поступающий в бассе;1н р.Волги, составлял около 25 км3/год; При этом на долю загрязненных стоков приходится около 15%, 60'?составляют условно-чистые воды, а остальное количество - чистые стоки.

Содержание нефтепродуктов достигало 6,2 мг/л в Куйбищсвском водохранилище.

Содержание СПАВ в водоемах всего каскада оставалось на одном уровне 0,1-0,7 мг/л, и только выще г.Волгограда на приплотиниом участке отмечалось 1,56 мг/л (1980 г.). Фосфорорганпческие ядохимикаты обнаружены в пробах воды и количество их составляет 0,06-0,255 мг/л.

1 В главе приведены индексы сапробности для всех водохранилищ Волжского каскада, которые колебались от 1,25 до 3,12, 3 этоЛ главе приведено содержание микроэлементов в воде р.Волги. Очень сильные пики концентраций меди отмечены у левого берега гг.Саратов и Комыпин (500 и .200 мк г/л соответственно). В р.Каме имеет место повышение содержания стронция до 300'мкг/л. Средняя скорость накопления в Волжских водохранилищах органических и неорга-

3 . 2

нических веществ составляет 2*10 т/м .год. За время существования водохранилищ в них накопилось органического и неорганического веществ 1250 млн.тоня.

Осадконакопление в водохранилищах Волжского каскада

IПлощадь|Срок I зеркала,кв.юд ¡заполнения,

! ! год

Водохранилища

Осадкона ко пленке, мл!! ,т

Иваньковское 320 1937 35

Углаческое 250 1940 ' 32

Рыбинское 4550 1945 ' 22С

Горьксвсков 1600 1955 ГСО

Ку1:бищеЕско9 64С0 1953 36 О

Саратовское 1800 1967 '72

Волгоградское 31С0 1558 220

¡¡того: 1250

вывода и првдшнш

В работе представлен материал по накопительным процессам в системе река-водохранилище и проведено теоретическое обобщение по круговороту и накоплению веществ, а такяе трансформации энергии в природных системах. Выводы и предложения, вытекающие ■ из экспериментальных и теоретических исследований, методологии 'и методика оценки антропогенного воздействия на ландшафты и оцен-. кг эффективности природоохранных мероприятий на основе изучения внутриводое.мных накопительных процессов в системе река-водохранилище и их влияния на состав и свойства речных вод, можно свести к следующему. ■ •

I. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов долины строиться, в первую очередь, на экологической концепции круговорота веществ и трансформации энергии . в природных системах. Суть концепции состоит в том, что процессы круговорота веществ в природных системах почти замкнуты, а нако-—пятельнно процессы в них идут таким образом, что они не вносят заметных изменений в функционирование этих природных систем. Антропогенные воздействия на эти системы приводят к нарушению сбалансированных процессов круговорота и накопления веществ. Поэтощ накопительные процессы могут служить обобщенными характеристика»,а - антропогенного воздействия на ландшафты и обобщенной оценкой эй5< тявности планируемых а проводимых природоохранных мероприятий. В работе доказана актуальность проблемы исследования накопи. тельнкх процессов и показано, что реиение' этой проблемы имеет вокноа народнохозяйственное и экодого-экоаомическов значение. Кроме этого установлено, что эта проблема носат менуисциплинарны: характер в направлении исследований охраны окружающей'среды и рационального природопользования.

2. Реки на значительном-своем протяжении оказались зарегули-юванными каскадом водохранилищ и превратились в отдельные систе-и река-водохранилище, характеризующиеся своеобразными гидрофизиче-кими, гидрохимическими и гидробиологическими внутриводоемяыгн роцессами. Отличительной особенностью этих внутриводое:.«лнх провесов является то, что на определенной этапе эволюции системы река-водохранилище" накопительные процессы становятся лишти-■ующимя в формировании состава и свойств речных вод. Доказано,

то накопительные процессы адэкватным образом отра.-шот комплекс ереговых л внутриводоемяых процессов. Наряду с этим по распре-елению органических п неорганических веществ в донных отлояе-иях в система река-водохранилище можно судить о протекании этих роцессов за всю истории существования водохранилища. Таким обра-ом, накопительные процессы могут служить ретроспективным методом андпафтных исследований.

3. Накопительные 'процессы в системе река-водохранилище идут таком направления, что происходит смена лимитирующих веществ:

а определенном этапе лимитирующим веществом становится двуокись глэрода, "которая, з свою очередь, поступает в воду, в основном, ря разложении органического вещества. Процесс круговорота кап би за-.щкается па себя", т.е. скорость создания органического гещз-гт.а звеисет от содержания в воде двуокиси углерода, количество зторой определяется скоростью разложения органического вещества, эпроЕоздающггося выделением двуокиси углерода. При значительно« )дзр.7.аяпп в воде дяуокпси углерода ля-'.'лтпруг^им веществом стано-!тся азот, что, в свою очередь, приводит к интенсивному развития шезеленшс водорослей, которые, как известно, являются создателг:-I органического вещества. Сипезелеяые годоросля при своем рззлс-!нпи интенсивно потребляют растворенный в вода .-'лелоред и ЕЬ'делгг-

ют токсичные вещества, которые являются губительным для других гидробиоятов. Наступает экологическая катастрофа. Исходя пз этого, при разработке природоохранных мероприятий в таких системах должна учитываться определенная последовательность смены лимитирующих веществ и факторов.

4. Проявление периодичности в процессах круговорота и накопления веществ в изучаемой системе река-водохранилище позволяет применить теорию симметрии. Исходя из теории симметрии, показано, что в экосистемах, с одной стороны, отношение -энергии, затрачиваемой на создание биологических структур, к энергии, заключенной во всей структуре, со временем уменьшается (это отношение есть мера экологического оборота), а с другой стороны, растет величина абсолютной биомассы или мера термодинамической упорядоченности. В силу этого двойственного закона внутриводоемные процессы круговорота и накопления веществ стремятся к такому состоя-

■ нию, когда скорость накопления автохтонного органического веществ! в системе река-водохранилище будет равна половине скорости его создания, что подтверждено экспериментальными исследованиями.

5. Скорость накопления взвешенных веществ зависит от гидродинамических характеристик, в том числе от скорости течения, глубины потока, а такяе от гидравлической крупности наносов. Кроме этого, она в большой степени определяется ветровым волнением, обобщенной характеристикой которого служит энергетический спектр поля ветровых волн. 'Из этих характеристик можно образовать безразмерные соотношения и, приняв их в качестве координат, получать 'обобщенную характеристику для мутности потока. Эта обобщенная зависимость, полученная в работе, вполге достаточна для практических расчетов накопления взвепенпих веществ в изучаемой системе река-годог.ранцлище.

6. К настоящему времени в каскаде Волжских водохранилищ накопилось около I млрд. 200 ¡шит органических и неорганических веществ, из них в Иваньковском - около 40 млн.тоня. Данное количество накопленных веществ приближается к сзоему предельному значении, превышение которого ведет ко вторичному загрязнению водоемов за счет выхода накопленных веществ из донных отложений, а также другим негативным последствиям, связанным с накопительны га процессами в водоемах. Особенно это относится к Иваньковскому водохранилищу, которое существует полвека и требует принятия неотложных мер для ликвидации этих негативных явлений.

■7. В настоящее врем основная природоохранная деятельность сзоднтся к строительству очистных сооружений и другим "береговым" Мероприятиям, которые ограничивают поступление загрязняющих веществ з систему река-водохранилище.Проведенные исследования показали, что необходимо изменить приоритеты капиталовложений в охрану водных ресурсов и, в первую очередь, проводить "впутрнводсечныо мероприятия" по ликвидации негативных последствий накопительных процессов. Для каскада.Вольских вбдохранилищ отз мероприятия потребуют около 10 млрд.руб.капиталовложений. Необходимо подчеркнуть, что эти. мероприятия должны бкть проведены з £0-иа годы и не перенесены на более отдаленный срок, так как это грозит необратимыми изменениями в функционировании Волжских экосистем. При этом следует учитывать, что в настоящее время нижняя Волга объявлена зоной экологического бедствия.

СШСОК РАБОТ, ОПУШиФВАИШХ ПО ТЕМЕ

диссертация

•I. Исследование волновых процессов с приыенеяяем теории открытых систем // Труда координационного совещания по гидротехнике. Л. Энергия, 1970, вып.61, с.74-80 (в соавт. с Г.&.Краснодоном).

5. Энергетический спектр волн J/ Труды координационного совещания по гидротехнике. Л., Энергия, 1970, вып.61, с.57-58.

3. К вопросу гидродинамики потоков с неоднородной плотностью // Труда ГГИ. Л., 1970, вып.180, Гидроыетеоиздат, с.162-188.

4. О применении вариационных методсз в гидродинамике (в соавторства с Г.Ф.Краснояояоы, А.С.Судольскиы). // Динамика и термина рек. Ы., Огройиздат, 1973, с.105-118.

5. Учет гидродинамических параметров ветрового волнения при рас. чете движения наносов в прибрежной зоне озер, морей и водохранилищ // Сб.динамика и термака рек. М., Стройаздат, 1973, с.134-141.

6. Энергетический спектр поля ветровых воля (в соавт.с Г.Ф.Краснс гоном). // Динамика и термина речных наносов. U., Наука, 1972,

' с.133-140.

7. Зависимость мозду перпсдическиил"" попусками из Куйбышевского водохранилища а гидродинамическим рвдаыоы р.Самара (в соавт.

с И.О.Грибовской, Н.Н.Валовой) // Пат.Всесоюзной научной конф, по проблемам комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна Волги. Пермь, 1975, вып.II, с.64-70.

' 8. Гидродинамика регулируемых потоков и управление качеством вод (в соавт. с Г.Ф.Шимииым) // liar.всесоюзной научной конф. ■ по проблемам комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна Волги. Пермь, 1976, вып.II, с.125-129.

Накопление некоторых тязелых металлов в донных отлогениях л возмо.тноэ влияние его на качество воды водохранилища (в ссавт. с В.В.Красинцевой, Г.И.РоманоЕОй) // Оценка п классификация качества поверхностных вод для водопользования. Всесоюзная конф., Харьков, 1У7У, с.100-103.

Д.'Ваутрпзодоаиаыа процессы и влияние ах на качество воды водохранилища (в сосвт. с В.В.Краспяцевой, Г.л.Уоманозой) // Влияние водохранилищ ГЗС на хозяйственные объекты п природную среду. Всзссзгп.нау<ао-тэхл.совещание. Д., 1979, с.165-166.

'.I. Ра.-2г.5 соединений металлоз в Изаньковском водохранилища (з соавторство с В.В.Красинцевоа, Г. 11. Романовой) // 1'лт-ли Зсз-соезпого симпозиума по созреиешшм проблемам самоочищения водоемов и регулирования качества води. Таллинн, 1979, часть I, с.197-199.

2. Сапробпологлческая характеристика водоема многоцелевого назначения (в соаят. с Д.В.Тярасснко, НЛ.Туруимой, Д.А.Оста-папко) // 'Груды Всасовзн.конф.: Оценка и классификация качества позархиостних вод дзя водопользования. Харьков, 1979, с.45-49.

3. Батано органического вещества, биогенных элементов и макро-элс!'.9нтов в Иваньковское водохранилища (в сосет. с В.В.Краспя-цовоЗ, Г.И.Романовой, Д.В.Тарасанко, НЛ.Хурунияой) // Водные ресурсы. 1930, 3 4, с.120-131.

■1. Макроэлементы в поровых Еодах речных отложений я влияние ах на состав придонных вод в водохранилище (в ссавт. с В.В.Красинцевой, Г.И.Романовой, Д.В.Грччуп) // У Всасовзп.совещание: Круговорот вещества.и энергии з водоемах. Иркутск, 1931, вин.У, с.73-74.

О

15. Балансовые соотношения как ыатод комплексной оценки фории-рования и состояния речных вод (в соавт. с В.В.Красинцевой, ■

логов: Круговорот вещества и энергии в водоемах. Тезисы докладов. Лиственичное на Байкале. Иркутск, 1981, вып.У, с.65-66. .

водах Иваньковского водохранилища (в соавт. о В.В.Красинце-вой) // Геохимия, 1981, & 9, с.1418-1420.

17. Качество вода Иваньковского водохранилища // Мат-лы совещания по охране окружающей среды. М., Гидрометеоиздат, 1982, с.42-43. ■ .

18. Аккумуляция железа, марганца, цинка, меди и хрома у некоторых водных растений (в соавт. с В.В.Красшшевой, Г.И.Романово!! Д.ВДарасзнко) // Гидробиологический г. 1982, т.ХУШ, вып.1,

. с.79-82. 1

19. Накопительные процессы и антропогенное эвтрофирование // Материалы Международного совещания по эвтрофираванию. М., 1983, с.69-71.

20. Роль донных биоценозов Иваньковского водохранилища в накоплении некоторых химических элементов (в соавт. с И.Ф.Грибов-ской, Л.А.Остапенко, О.В.Рубцовой) // У1 Всесоюзн.совещание лимнологов: Круговорот вещества и энергии в водоемах. Иркутск 1985, выа.Ш, с.Ш-112.

21. Особенности структурной организации биоценозов малых рек

в условиях антропогенной нагрузка (в соавт. с С.И.Новосальски О.В.Рубцовой, Л.А.Остапенко) // Сб.: Биоиндакация и баотести-рованив природных вод. Ростов-на-Дону, 1986, с.17-18.

22. Применение двух систем биоандикации для оценки качества вода водохранилищ Волжского каскада (в соавт. с Н.В.Турушаюй,

. Л.А.Остапенко) // Сб.: Биоиндикацпяв баотестарованив природных вод. Ростов-ыа-^ону, 1986 , 0.72-""

Г.И.Романовой, Л.ВЛ'арасенко) // У,Всесоюзн. совещание лимно-

16. Аномальное распределение щелочных элементов в грунтовых