ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 3, с. 310-317
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.55:574.52(470.311)
оценка скорости потребления кислорода в толще воды
можайского и иваньковского водохранилищ1
© 2007 г. Е. Р. Кременецкая
Институт водных проблем Российской академии наук 119991 Москва ГСП-1, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 04.04.2006 г.
В результате многолетних исследований скорости потребления кислорода в толще воды Можайского водохранилища получены статистические зависимости скорости потребления кислорода от его дефицита с учетом трофического уровня и гидрологической структуры водной толщи. Зная дефицит кислорода, вертикальное распределение плотности и прозрачность воды можно оценить скорость потребления кислорода в толще воды.
Прогноз газового режима различных водных объектов имеет большое значение при их эксплуатации. В кислородном балансе водоема важную роль играют затраты О2 на деструкцию органического вещества (ОВ) в толще воды и дыхание гид-робионтов.
Потребление растворенного 02 осуществляется всеми организмами, населяющими водную толщу озера: ихтиофауной, бактерио-, фито- и зоопланктоном. Основной вклад в суммарное потребление 02 вносят планктонные организмы, так как их количество в водной толще весьма значительно, а интенсивность дыхания высока [1].
Доля представителей планктона в процессе деструкции ОВ зависит от гидробиологического режима водного объекта [17]. Основная роль в потреблении 02 на окисление ОВ принадлежит бакте-риопланктону. Микробиологические исследования евтрофированных водоемов показывают, что бактериальная деструкция ОВ растет пропорционально его общему количеству лишь при малых концентрациях ОВ. При росте первичной продукции фитопланктона и соответствующем обогащении вод усвояемым ОВ эта пропорциональность нарушается, а в особо неблагоприятных условиях происходит даже снижение скорости минерализации ОВ [22].
При массовом развитии диатомовых водорослей весной, а также синезеленых водорослей летом потребление О2 бактерио- и фитопланктоном становится соизмеримым [18].
Таким образом, рассчитать потребление О2 в водной толще на дыхание гидробионтов и окисление органических соединений (взвешенных и растворенных) чрезвычайно сложно ввиду большого
1 Работа выполнена при финансовой поддержке по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МК 2401.2006.5).
разнообразия потребителей кислорода и неоднозначности их взаимоотношений. В гидроэкологических моделях часто все затраты на деструкцию принимаются либо постоянными для моделируемого объекта, либо линейно зависящими от температуры воды. В экосистемных моделях каждый потребитель О2 моделируется отдельно, с учетом скоростей реакции и стехиометрических коэффициентов.
Цель данной статьи - поиск легкоопределяемых параметров состояния водной среды, позволяющих оценить скорость потребления растворенного кислорода (СПК) в толще водной массы водоемов.
Методика исследований
Изучение СПК проводилось на Можайском водохранилище в летний период 1993, 1996 [23], 19972000 гг. и зимой 1999-2000 г. [21]. В состав наблюдений входили гидролого-гидрохимические съемки водохранилища и постановка продукционно-де-струкционных станций. На каждой станции измерялась прозрачность воды по диску Секки (SD), вертикальные распределения температуры и электропроводности воды (с помощью портативного цифрового термокондуктометра). Плотность воды на каждом горизонте рассчитывалась по ее эмпирической зависимости от температуры и электропроводности для пресных вод гидрокарбонатного класса [25]. Для зимнего периода по данным о температуре и электропроводности на основе диаграмм смешения выделялись водные массы различного происхождения [8]. Также отбирались пробы воды для определения содержания О2 (методом Винклера [26]) и СПК. Для определения СПК из одного батометра заливались три склянки: в одной О2 сразу фиксировался, а две другие либо
экспонировались в водоеме на соответствующих глубинах, либо термостатировались при температуре, близкой к измеренной на горизонте отбора. СПК оценивалась по разности начального и конечного содержания 02 в склянке, поделенной на время экспозиции. Летом пробы экспонировались 12-24 ч, зимой 2-4 сут. Точность определения СПК составила летом - 0.006, зимой - 0.001-0.003 мг/л ч. Летом и зимой 2000 г. отбирались пробы воды для определения в них мутности с помощью турбидиметра 2100Р. Постановка продукционно-деструкцион-ных станций (скляночным методом Винберга [26] в кислородной модификации) осуществлялась на 4-5 горизонтах в средней части Можайского водохранилища. Наблюдения проводились летом преимущественно в июне-июле.
Были также использованы материалы Красно-видовской лаборатории МГУ (10 станций, 19851991 гг.), Д.В. Ломовой [15] и М.И. Сахаровой (МГУ) (13 станций, 1984-86 гг.). Всего 572 измерения СПК.
Используемые в работе СПК оценивались не по БПК-тестам, при постановке которых меняются температурные и кислородные условия существования планктонных организмов, а по методике постановки продукционно-деструкционных станций, когда начальные условия в исследуемой пробе воды соответствуют наблюдаемым в водоеме. И хотя процесс потребления 02 развивается во времени нелинейно [13, 14], краткосрочные опыты по определению деструкции ОВ условно можно считать начальными СПК.
Полученные результаты и их обсуждение
Можайское водохранилище - типичное димик-тическое долинного типа с преобладанием деструкции ОВ над его продукцией, что характерно для большинства водохранилищ средней полосы. На протяжении большей части летнего и зимнего периодов в водоеме наблюдается температурная стратификация водной толщи.
Как известно, СПК в общем виде регулируется наличием ОВ и планктонных организмов, присутствием 02 и температурой, при которой идет окисление. Поэтому в первую очередь была проведена попытка оценить влияние каждого из этих параметров на СПК в толще воды.
Исследования процессов разложения ОВ Можайского водохранилища по кинетическим параметрам БПК [13, 14] показали, что пространственно-временное распределение начальных скоростей процесса БПК согласуется с распределением взвесей минерального и органического происхождения. Характер сезонной изменчивости начальных СПК увязывается также с динамикой в водое-
ме различных групп биологических объектов (бактерио- и фитопланктона) [13].
В летний период во всем Можайском водохранилище, кроме района выклинивания подпора, взвешенное вещество имеет в основном автохтонное происхождение [4, 12], т.е. связано с биомассой фитопланктона. Доля ОВ во взвесях в периоды интенсивного цветения может достигать 70-90% [2]. Для Можайского водохранилища была получена эмпирическая зависимость биомассы фитопланктона от SD в летний период [23]. Мутность поверхностного слоя воды связана обратной степенной зависимостью с SD (корреляционное отношение г2 = 0.98, п = 20). Поэтому в качестве характеристики количества органического вещества были использованы мутность и величина SD воды.
Анализ данных, полученных в результате проведенных зимой и летом 2000 г. съемок гидрологической структуры водоема, мутности воды и СПК в толще воды, показал отсутствие корреляции между СПК и мутностью воды. Температура воды имеет высокий коэффициент корреляции с СПК (г = 0.79 при количестве точек п = 99) для всего ряда данных, включающих лето и зиму. Однако при рассмотрении отдельных сезонов связь СПК с температурой воды теряется. Содержание О2 неплохо коррелирует с СПК в летний период (г = 0.62, п = 42), но для всего года эта зависимость нарушается, так как зимой при относительно высоких концентрациях О2 величины СПК минимальны.
Кроме того, рассматривался еще один параметр, влияющий на СПК, дефицит О2 ф), который характеризует отклонение измеренной концентрации кислорода Сизм от его концентрации насыщения Снас при данной температуре, рассчитанной по [3]: D = Снас - Сизм.
Как известно, для олиготрофных озер отклонение концентрации растворенного в воде О2 от состояния, равновесного с атмосферой, насыщения -закономерный сезонный процесс, причем как пересыщение, так и дефицит О2 вызываются при этом физическими причинами, а влияние гидробиологических факторов мало. Однако, в кислородном режиме мезо- и эвтрофных водоемов важную роль играют биохимические процессы, что вызывает значительное отклонение содержания О2 от его равновесной концентрации. В трофоген-ной зоне возможно значительное пересыщение воды кислородом в процессе фотосинтеза фитопланктона, а в трофолитическом подслое эпилим-ниона и особенно в гиполимнионе, где нет дополнительных источников О2, может возникать значительный его дефицит. Поэтому можно рассматривать отклонение содержания О2 от его рав-
новесной концентрации (дефицит О2) как некий индикатор биохимических процессов в водоеме. Кроме того, дефицит О2 характеризует как содержание О2, так и температуру воды. Отрицательный дефицит О2 образуется в случае пересыщения воды кислородом в фотическом слое при интенсивном развитии фотосинтеза фитопланктона при благоприятных погодных условиях. В области дефицита О2 СПК может лимитироваться как низкими температурами при достаточном содержании О2 (когда снижается скорость разложения ОВ), так и низким содержанием О2 даже при относительно высокой температуре (когда практически нечем окислять).
Корреляция СПК с дефицитом О2 прослеживалась как для года в целом (г = -0.66, п = 99), так и для летнего периода (г = -0.65, п = 42). В зимний период корреляция СПК с дефицитом О2 оказалась невелика (г = -0.54, п = 57), но нужно учесть, что и диапазон изменения СПК зимой гораздо меньше, чем летом. Таким образом, наиболее универсальной характеристикой СПК оказался дефицит О2.
Совместный анализ СПК и дефицита О2 показал наличие большого разброса величин СПК при одном и том же дефиците О2. Например, при дефиците О2, равном -5.4 мг/л, СПК колеблется от 0.07 до 0.27 мг/л ч, т.е. может различаться почти в четыре раза. Это, очевидно, связано с количеством ОВ и планктонных организмов.
В структуре и сезонной динамике планктонного сообщества в ср
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.