ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2011, том 38, № 6, с. 688-697
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 504.37.054
ПРОГНОЗ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОЛОГИЧЕСКОН ПРОДУКТИВНОСТИ ВООХРАНИЛИЩ НА РЕКАХ ЗЕЯ И БУРЕЯ © 2011 г. В. В. Бульон*, С. Е. Сиротский**
*Зоологический институт Российской академии наук 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 1 **Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук 680000Хабаровск, ул. Ким-Ю-Чена, 65 Поступила в редакцию 03.06.2010 г.
Для оценки скорости биотического потока энергии в экосистемах функционирующих Зейского и Бурейского водохранилищ и проектируемых Нижнее-Зейского и Нижне-Бурейского водохранилищ применена масс-балансовая модель. Дан прогноз среднегодовой биомассы и годовой продукции фитопланктона, макрофитов, эпифитов и фитобентоса (первичных продуцентов), бактерио-планктона и бактериобентоса (редуцентов), "мирного" и хищного зоопланктона, зообентоса, планктоноядных, бентосоядных и хищных рыб (консументов).
Ключевые слова: водные экосистемы, моделирование потоков энергии, прогноз продуктивности водохранилищ.
Моделирование трофических связей и биотических потоков энергии при соблюдении балансового принципа — необходимый инструмент для прогнозирования продуктивности водных экосистем и их отклика на изменение внешних условий. Опыт имитации потоков энергии свидетельствует о том, что эффективны "сжатые" модели, состоящие из ключевых групп гидробионтов [22, 23]. Каждая группа объединяет функционально родственные организмы, которые с некоторой степенью условности можно подразделить на первичных продуцентов, редуцентов и консументов разного порядка.
Редуценты как гетеротрофные организмы используют для своего роста автохтонное и аллохтон-ное органическое вещество (ОВ). Продуцирование автохтонного ОВ фотосинтезирующими организмами зависит от многих абиотических факторов, среди которых следует выделить ключевые — биогенные элементы (в первую очередь, фосфор), световые условия (прозрачность воды) и длительность вегетационного сезона, обусловленная географической широтой. Поступление в водоем аллохтонного ОВ (в том числе гуминовых соединений, обеспечивающих цветность воды) тесно связано с площадью водосборного бассейна и морфологией котловины [17]. ОВ разного генезиса через систему соподчиненных связей между биотическими и абиотическими факторами определяет биомассу и продукцию консументов (включая рыб), относящихся к разным трофическим уровням.
Такой системный подход в сочетании с балансовым принципом применен в данной работе, цель которой — на основании количественных связей между ключевыми биотическими и абиотическими компонентами экосистемы, обобщенных в форме масс-балансовой модели [2, 22], составить прогноз биологической продуктивности функционирующих и проектируемых водохранилищ на реках Зее и Бурее. Настоящая работа — один из первых опытов решения практических вопросов, связанных с эксплуатацией биологических ресурсов водохранилищ Дальневосточного региона.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Зейское водохранилище. Заполнение водохранилища происходило с 1974 по 1985 г. В настоящее время площадь зеркала составляет 2419 км2 НПУ и 1620 км2 УМО при площади водосборного бассейна 83800 км2. Средняя глубина — 37 м, максимальная — 99 м. Модуль стока — 8.2л/(км2 с) [13]. Из этих данных следует, что удельный водосбор относительно невелик (~35). Обмен воды замедлен — время пребывания воды ~ 4 года (табл. 1).
Бурейское водохранилище. После заполнения ложа в 2008 г. площадь водохранилища составляет 750 км2, объем воды — 10.7 км3 [5, 14]. Средняя глубина — 14.5 м, максимальная — 58 м. Водосборный бассейн водохранилища ограничен водосборным бассейном р. Буреи, площадь которого близка к 70000 км2 [20]. Из этих данных следует, что удель-
Таблица 1. Общая характеристика водохранилищ на реках Зее и Бурее
Водохранилище Площадь, км2 Средняя глубина, м Максимальная глубина, м Удельный водосбор Время обмена воды, годы Pt, град. TP, мкг/л
Зейское 2419 37 99 35 4 70-110 8-18
Нижне-Зейское 292 10 30 646 0.060 80-120 10-20
Бурейское 750 14.5 58 94 0.38 80-120 10-20
Нижне-Бурейское 153.3 13 29 45 0.066 80-120 10-20
ный водосбор после достижения проектной площади зеркала составил ~94. Среднемноголетний расход р. Буреи равен 950 м3/с. С учетом площади водосборного бассейна модуль стока — 13.6 л/(км2с).
Нижне-Зейское водохранилище. Площадь водосбора р. Зеи до впадения р. Селемджа, где проектируется строительство плотины, составляет ~186980км2 [12]. Проектная площадь зеркала водохранилища — 292 км2. Отсюда следует, что удельный водосбор (площадь водосбора Нижне-Зейско-го водохранилища включает площадь водосбора Зейского водохранилища) составит 640.
Модуль стока р. Зеи — 8.2л/(км2 с). Проектная средняя глубина водохранилища — 10 м. По этим данным скорость оборота воды в Нижне-Зейском водохранилище будет чрезвычайно высокой — 16.5 год -1 (время пребывания воды составит 22 сут)
Нижне-Бурейское водохранилище. Проектная площадь зеркала — 153.3 [10], общая площадь водосбора — 70058 км2 [15]. Из этого следует, что удельный водосбор проектируемого водохранилища составит 457. Модуль стока равен, как и для Бурейского водохранилища, 13.6 л/(км2с). Проектная средняя глубина — 13 м. По этим данным скорость оборота воды в Нижне-Бурйском водохранилище будет высокая — 15 год -1 (время пребывания воды 24 сут).
Климат в районе всех водохранилищ характеризуется как умеренно прохладный с избыточной увлажненностью, типичной для гумидной зоны. Среднегодовая температура воздуха в пределах водосборов — отрицательная, от —3.0 до —4.2°С. Осадков выпадает в среднем 750 мм/год [13]. Индекс увлажнения Иванова Pre/Eva > 1, где Pre — годовая сумма осадков, Eva — потенциальное испарение.
Системы уравнений, на базе которых построена модель для прогнозирования биологической продуктивности водохранилищ, представлены в ранее опубликованных работах [3, 4]. Ниже перечислены компоненты модели (рис. 1).
Входные (движущиеся) абиотические параметры: географическая широта Lat, средняя Dmean и максимальная Dmax глубины водохранилищ, содержание общего фосфора TP и цветность воды Pt.
Целевые и промежуточные параметры
биомассы: макрофитов Bmac, эпифитов Bepi, фи-тобентоса Bphb и фитопланктона Bphp, бактериобен-тоса Bbcb и бактериопланктона Bbcp, "мирного" Bhzo и хищного Bpzo зоопланктона и зообентоса Bzbe, планктоноядных Bplf, бентосоядных B,ef и хищных BpS f рыб;
продукция валовая: фитопланктона GPphp, чистая: макрофитов Pmac, эпифитов Pepi и фитобентоса Pphb;
потоки: продукции макрофитов в ДО Sed, энергии аллохтонного ОВ к бактериопланктону DOM;
потери: вылов человеком, животными, птицами и/или естественная смертность планктоноядных Ypff и бентосоядных Y>ef рыб, продукция хищных рыб Ppf
потери энергии фитопланктоном Pphp, бактерио-планктоном Rbcp и бактериобентосом Rbcb при дыхании;
потери энергии "мирным" (R + P)hzo и хищным (R + F)pzo зоопланктоном, зообентосом (R + F)zbe, планктоноядными (R + F)plf, бентосоядными (R + + F)bef и хищными (R + F)psf рыбами при дыхании и с неусвоенной пищей;
параметры: концентрация хлорофилла Chl, длительность вегетационного сезона GS, прозрачность воды Sec, площадь литоральной зоны Lit, фактор формы озерной котловины FF, площадь зарастания макрофитами Mcov.
Содержание TP в реках Зее и Бурее варьирует от 10 до 20 мкг/л, Pt - от 80 до 100° [12, 14]. Расчет концентрации TP и Pt в водохранилищах проводился с помощью масс-балансовая модели (рис. 2), учитывающей гидрологические и морфометрические особенности водоемов [22]. Зейское водохранилище отличается наибольшим временем удержания воды (~4 года), поэтому содержание TP в нем понижается вследствие седиментации до 8-18 мкг/л, Pt- до 70-110°. В остальных водохранилищах из-за высокой проточности содержание TP и Pt воды будет оставаться на том же уровне, что и в притоках (табл. 1).
Входные биотические параметры модели - скорость оборота биомассы ключевых групп гидро-бионтов (P/B-коэффициенты), эффективность использования потребленной энергии на рост орга-
Ьаг
>
РрЬЬ
к
в
Ь20
в
Ьср
в,
'рЬр
ОРр
рЬр
(Я +
+ ^о
(Я +
р20
Я
•Ьср
DOM
Я
рЬр
08
сы
/
Рис. 1. Схема модели для прогнозирования биомассы и потоков энергии для ключевых групп автотрофных и гетеротрофных организмов.
низмов (коэффициенты Кх) и коэффициенты ний Р/В и К1 ориентировались на литературные ис-распределения потоков энергии между трофиче- точники [1, 7—9, 18, 22]. Из-за скудности сведений о скими звеньями (ОС) (табл.2, 3). При выборе значе- распределении продукции ключевых групп орга-
Ad : Ao
Mo
Рис. 2. Масс-балансовая модель для прогнозирования концентрации P и Pt как показателя содержания гуминовых веществ. M — содержание вещества в объеме воды, In — приток вещества, Q — приток воды, Sed — седиментация вещества, Out — сток вещества, Rsed — скорость седиментации, Tw — время водообмена, Vol — объем воды, Cm — концентрация вещества в воде, C¡n — концентрация вещества в притоке, Ad — площадь водосбора, Mo — модуль стока, V — линейная скорость седиментации вещества, Dm — средняя глубина водоема, Area — площадь зеркала водоема.
низмов между их потребителями коэффициенты БС подбирались путем калибровки модели по данным биотических балансов ранее исследованных озер [3, 7]. Значения абиотических и биотических параметров задавались как случайные величины в выбранных диапазонах (метод Монте-Карло).
Для верификации модели использовались опубликованные для Зейского водохранилища данные по содержанию СЫ в планктоне, биомассам фитопланктона, зоопланктона и зообентоса и вылову рыб [6, 10, 11, 19, 21], а также неопубликованные отчетные материалы Института водных и экологических проблем (ИВЭП) ДВО РАН.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Первыми реагируют на изменение внешних условий первичные продуценты (планктонные водоросли) в силу быстрого оборота их биомассы. Консументы разного порядка (от "мирного" зоопланктона до хищных рыб) откликаются на измене-
ния первичнои продукции с задержкой, продолжительность которой опреде
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.