УДК 556.555(282.247,412.22)
Климатическая трансформация гидрологического режима и планктона в Можайском водохранилище
К. К. Эдельштейн*, М. Г. Ершова*, М. Г. Гречушникова*, Н. Г. Пуклакова*
Приводятся результаты статистического анализа многолетних изменений 40 характеристик метеорологического, гидрологического, гидрохимического, термического и гидробиологического режима Можайского водохранилища (верховья р. Москва) за весь период его существования (1960—2000 гг.). Установлено, что относительно небольшие климатические изменения привели к сильной трансформации колебаний уровня и водообмена водохранилища, к увеличению минерализации его водных масс и изменчивости температуры водной поверхности в вегетационный период. Возросла биомасса весеннего фитопланктона, а биомасса летнего фитопланктона практически не изменилась в результате увеличения кристаллизации СаСОз в трофоген-ном слое водохралища. Хемогенные микрокристаллы кальцита служат здесь сорбентом фосфатов в дневные часы, снижая тем самым интенсивность фотосинтеза и биомассу синезеленых и динофитовых водорослей при устойчивой антициклонической погоде.
Первые 40 лет существования Можайского водохранилища совпали с периодом изменения климата на Русской равнине. Оно произошло вследствие снижения частоты синоптических процессов, приносящих зимой на ее территорию арктический воздух, и увеличения притока теплых и влажных атлантических воздушных масс [7]. Уменьшение континентальное™ климата в Московском регионе проявилось в установленных по данным Метеорологической обсерватории МГУ (1958—1997 гг.) многолетних трендах увеличения среднегодового количества общей облачности на 10% и нижней — на 21% и уменьшения годовых значений прямой (на 11%) и суммарной (на 5%) солнечной радиации [1]. Эти климатические особенности последних четырех десятилетий изменили сток Волги — форма ее гидрографа стала более распластанной [6].
В данной работе использованы материалы многолетних комплексных исследований экологического состояния Можайского водохранилища, ежедневных наблюдений в створах рек Москва — Барсуки и Лусянка — Черники, на Можайском и Колочском гидроузлах, на вод посту Красновидово в центральном районе водоема. Статистическая обработка этих материалов состояла в формировании временных рядов физических, химических и биологических характеристик водного режима и состояния экосистемы во-
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
доема, оценки их средних (х) значений, среднеквадратического отклонения (ах) и коэффициента вариации (С„ =их/х). Для оценки многолетнего тренда ряды аппроксимированы линейной функцией х = а + Ьх, где х — значение характеристики в момент времени х; т — порядковый номер года (т = 1,2,..., л); а и Ь — коэффициенты, рассчитанные методом наименьших квадратов. Величина тренда в расчетный период определялась как Ах = хп ~хх, где X] и х„ — значения х, рассчитанные по уравнению тренда для 1961 и 2000 гг. (относительная величина этого тренда — как 5х = А.х/х,). Статистическая значимость тренда оценивалась по величине выборочной оценки коэффициента корреляции г„ с моментом времени х, В свою очередь, значимость г„ оценивалась с помощью ¿-распределения Стьюдента (уровень значимости а (%) приведен в табл. 1). Скоррелиро-ванность колебаний характеристик двух сравниваемых временных рядов определялась по величине коэффициента линейной корреляции гху, принимавшейся незначимой при р < 95%.
Климатические изменения в районе водохранилища проявились в тренде атмосферных осадков (табл. 1), увеличившихся с 585 до 675 мм/год, и их сумм за безледный период (относительная величина их тренда приблизительно та же, что и упомянутая выше для облачности), Среднегодовая температура воздуха повысилась с 2,8 до 5,2°С вследствие потепления в зимние периоды (рост средней температуры в безледный период отсутствует, табл. 1).
Эти климатические изменения проявляются косвенно в изменении питания водохранилища речными водными массами и непосредственно через поглощение им солнечной и ветровой энергии в период открытой воды. Управление водным режимом водохранилища определяет момент смены зимней сработай весенним наполнением, т. е. дату начала нового водохозяйственного года, которая назначается на основании гидрологического прогноза предстоящего половодья. В этот момент кардинально изменяются структура внешнего и внутреннего водообмена водохранилища и связанные с ним процессы. Поэтому анализ межгодовой изменчивости характеристик экологического состояния Можайского водохранилища выполнен нами по их значениям, осредненным за водохозяйственные годы — от даты начала весеннего наполнения до даты с наинизшим уровнем воды в водоеме в конце зимы следующего календарного года. Диапазон вариации этих дат составил 56 сут — от 10 февраля в 1989 г. до 1 апреля в 1963 г. Тенденция ее смещения на более ранние сроки из-за все более раннего половодья статистически значима (см. табл. 1).
При анализе изменения структуры притока воды в водохранилище ежегодные гидрографы суммарного стока с незарегулированной части его водосбора (без запруженной р. Колочь) подразделены на три генетические составляющие — сток весенних речных водных масс, в составе которых преобладают талые воды половодья даже в весны с дождевыми паводками, паводковых и меженных водных масс (в составе последних доминируют подземные воды). В качестве критического значения среднесуточного суммарного расхода притока £?о, по которому определялись даты смены многоводных и меженных фаз стока, принято значение 5 мУс на основании анализа формы связи между минерализацией воды и ее расходом в обоих 72
Таблица 1
Статистические параметры многолетних изменений гидрометеорологических и экологических характеристик Можайского водохранилища в 1961—2000 гг.
Характеристика л X С, йх Ъх,% ( а,%
Метеорологический режим
Температура воздуха, °С
среднегодовая 37 4,1 0,31 0,53 2,4 86 3,70 0
средняя за вегетационный период 38 9,5 0,11 0,06 -ОД -2 0,36 36
средняя за летний период 38 14,0 0,07 0,29 1,0 7 1,18 12
максимальная среднесуточная 38 23,2 0,08 0.27 1,8 8 1,68 4 !
Осадки, мм
за календарный год, 40 634 0,17 0,26 95,5 16 1,66 5
за вегетационный период 40 485 0,22 0,29 110,3 26 1,86 з ;
за период ледостава 40 149 0,35 0,08 -15 -10 0,49 31
Водный режим
Дата начала водохозяйственного 40 18 Ш 0,22 -11 сут 1,58 6
года
Дата начала половодья 40 12 Ш 0,41 -22 сут 2,76 1
Приток весенних речных водных масс, млн. ж1 40 174 0,28 0,15 -25 -13 0,92 18
паводковых 38 90 0,91 0,32 88 183 2,03 2
меженных 38 46 0,34 0,60 31 102 4,05 0
за водохозяйственный год 40 311 0,32 0,28 94 36 1,78 4
Сброс воды в р. Москва 40 303 0,33 0,22 75 29 1,37 9
за водохозяйственный год
Коэффициент водообмена, год"1 40 1,83 0,24 0,38 0,58 38 2,52 1
Весенний подъем уровня воды, м 40 4,58 0,29 0,23 -1,05 -20 1,46 7
Число фаз колебания уровня воды 40 5 0,59 0,48 5 200 5,42 0
Доля зимних вод в основной 40 63 0,31 0,17 12 19 1,10 13
водной массе, %
Химический режим
Сумма ионов в основной водной
массе, мг/л
на поверхности 28 174 0,13 0,46 43 29 3,16 0
в среднем слое 27 191 0,13 0,64 65 44 5,34 0
у дна 27 206 0,15 0,40 51 30 2,55 1
Термический режим
Вегетационный период
дата начала 40 7 IV 0,52 -26 сут 3,77 0
дата конца 40 ЗХН 0,12 6 сут 0,76 22
продолжительность, сут 40 242 0,10 0,42 33 15 2,82 0
средняя температура поверхности 40 12,2 0,08 0,17 -0,7 1,05 14
воды (Го), °С
С» среднесуточной То 40 0,58 0,18 0,41 0,15 22 2,79 0
Период летней стратификации
дата начала 40 10 V 0,54 -17 сут 3,99 0
дата конца 40 7 X Тренда нет
продолжительность, сут 40 151 0,07 0,31 12 8 1,05 14
Г„, "С 40 17,1 0,06 0,17 0,7 4 1,39 8
С„ среднесуточной 7*0 40 0,22 0,15 0,52 0,06 23 3,79 0
Максимальная среднесуточная 7о> 40 23,9 0,06 0,36 1,9 8 2,41 0
°С
Продолжение табл. 1
Характеристика п X С, г„ Ах &*,% / а,%
Биологический режим
Средняя биомасса фитопланктона 29 5,0 0,84 0,17 2,7 82 0,91 17
(Врк) за вегетационный период,
мг/л
то же без максимальной 29 4,1 0,51 0,19 1,5 47 1,03 15
биомассы Сегайит
кормового фитопланктона (Вркх) 24 1,2 1,04 0,48 2,3 2,65 0
за вегетационный период
несъедобного фитопланктона 24 4,1 1,17 0,09 -1,7 -19 0,48 31
(.Врйис) за вегетационный период
весеннего фитопланктона 22 3,6 1,09 0,41 6,2 2,02 2
(ВрН1У_у)
летнего фитопланктона 23 7,6 1,07 0,10 3,2 62 0,50 30
СйрЛу]—VIII)
осеннего фитопланктона 23 2,8 1,60 0,40 —6,7 -96 2,09 2
(Врк^х-м)
Средняя биомасса зоопланктона 15 2,6 0,37 0,54 2,4 157 2,14 1
за вегетационный период, мг/л
створах. При выделении фаз паводков случаями небольшого превышения
(до 3 мъ1с) в течение 1—3 суток пренебрегали, имея в виду вероятность погрешности в определении суммарного суточного притока воды в водохранилище. По данным табл. 1 видно, что даты начала половодья наступали в среднем на неделю позже, чем даты начала наполнения водохранилища. Диапазон их вариации (65 сут) и тренд (рисунок) больше, чем дат начала водохозяйственного года, но статистическая связь колебаний этих двух дат значима (гху = 0,81).
Увеличение увлажненности водосбора из-за роста годовой суммы осадков на 16% привело к повышению суммарного притока речных водных масс в водохранилище. Судя по тренду этой характеристики (см. рисунок б), оно составило 36% (см. табл. 1), а межгодовые колебания обеих характеристик водного режима бассейна хорошо коррелированы — гху = 0,73 (р > 99%). Еще более экологически значимо изменение генетической структуры питающих водохранилище речных вод. Доля весеннего стока в годовом притоке снизилась с 69% в 1960-е годы до 46% в 1990-е. В последнее десятилетие половина лет были с паводковым стоком, превышавшим сток в половодье, в то время как в предшествующие десятилетия это отмечено лишь в 1962, 1970, 1980 и 1990 гг.
Такое изменение внутригодового распределения стока — следствие поте
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.