Драбкова В.Г., Прыткова М.Я., Якушко О.Ф. Восстановление экосистем малых озёр

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 23. Схема оз. Миорского в изобатах.

1 - станции отбора гидрохимических и гидробиологических проб; 2 - профили, на которых отбирались пробы бент

Таблица 13

Годовое поступление общего фосфора в оз. Миорское

Источники

Поступление Р

о6щ

кг

Антропогенная составляющая

Поверхностный сток с территории 2400

города

Животноводческие стоки

500

Остальной водосбор

780

Донные отложения

3400

Итого

7080

100

Природная составляющая

Поверхностный сток

430

Поступление из оз. Осиновка

1500

Донные отложения

380

Итого 2310

100

водоема с увеличением фосфорной нагрузки (Vollenweider, 1975,

1976). Для оценки последней необходимо было выявить и количест-

венно оценить поступление соединений фосфора и азота из различ-

ных источников.

Современная биогенная нагрузка на озеро, оцениваемая на ос-

нове исследования биогенного баланса, складывается из природной

и антропогенной. При расчете природной составляющей биогенной

нагрузки предполагается, что вся территория водосбора занята ле-

сом. Для ее оценки приняты следующие значения концентрации био-

генных элементов: минерального азота 0.7, общего фосфора 0.04 мг/л.

Содержание минерального азота, в притоке из оз. Осиновки принято

равным 0.28 мг/л. Внутренняя биогенная нагрузка (поступление фос-

фора из донных отложений) рассчитана, согласно рекомендации

М. В. Мартыновой (1988), с учетом первичной продукции. Таким об-

разом, установлено, что природная составляющая годового поступле-

ния общего фосфора в озеро равна 2.3 т (табл. 13).

Расчет современной биогенной нагрузки выполнен для малого

водосбора озера (без бассейнов вышележащих озер). При этом учтены

поступления фосфора и азота со склоновым (городская территория

и сельскохозяйственные угодья) и русловым стоком (четыре ручья

и протока из оз. Осиновка), а также с атмосферными осадками и

с животноводческих ферм (рис. 24). За 1990 г. из озера вынесено

34.0 т минерального азота и 5.2 т общего фосфора. Антропогенная

составляющая поступления биогенных веществ в озеро, определен-

ная по разности между современной биогенной нагрузкой и природ-

ной составляющей, составила для азота 35

и для фосфора 60

от

111

^ Из

донных

отложений,

P-2375

Из X

донных

отложений.

P-1150

С сельскохозяйст

венных угодий.

N-2335

P-155

С атмосферными

осадками

N-600

P-50

Ручей N

N-168¥

P-355

урбанизированных

территорий

N-то

P-2550

Выносится с

р. Мерицей

N-33970

P-5230

С ферм KPC

Ручей N

N-6^9

6581

P-116

P- 500

P-116

P- 500

Из. оз. Осиновка

N-WВ9

Р-ШЗ

1 ^

Рис. 24. Схема поступления минерального азота (N) и общего фосфора (P) в оз. Миорском (в кг).

1 - источники и потоки биогенных веществ; вода: 2

—

сильно загрязненная, 3

—

умеренно загрязненная, 4

—

достаточно чистая.

общей. Для озера характерны также высокие значения внутренней

нагрузки - 6.1 т по азоту и 3.8 т по фосфору (табл. 13).

Согласно модели Р. Фолленвайдера (Vollenweider, 1975, 1976),

допустимая фосфорная нагрузка на оз. Миорское составляет 0.3 гР/м

в год при современном ее значении 8.2 гР/м

, что в 27 раз превышает

допустимую. Для восстановления экосистемы озера необходимо

прежде всего исключить (или уменьшить) избыточное поступление

биогенных веществ в озеро. При этом полностью предотвратить

поступление этих веществ в озеро невозможно, так как даже с лес-

ной территории существует их вынос. Расчет природной составляю-

щей поступления биогенных элементов в озеро показал, что приро-

доохранными мероприятиями на водосборе можно уменьшить по-

ступление общего фосфора до 2.3 т в год (табл. 13).

Прекращение сброса сточных вод в озеро является первым и обя-

зательным условием, без осуществления которого последующие ме-

роприятия окажутся неэффективными. Мероприятия по рекультива-

ции собственно озера включают: 1) восстановление естественного

гидродинамического режима озера путем ликвидации дамбы и строи-

тельства моста через узкую часть водоема; 2) организация попусков

воды через наиболее загрязненную часть озера путем переноса исто-

ка р. Мерицы из его центральной части в восточную; 3) искусственная

аэрация водной толщи наиболее загрязненной части водоема в пери-

од зимней и летней стагнации; 4) биоманипуляция (биологическая

мелиорация) озера путем вселения большого количества хищных

рыб (преимущественно судака).

результате предложенных инженерных и гидротехнических ме-

роприятий ожидается коренное улучшение гидродинамических усло-

вий, значительный вынос из экосистемы биогенных элементов, улуч-

шение газового режима водоема, уменьшение процессов образования

автохтонного органического вещества и как следствие - улучшение

качества вод.

На примере оз. Туусуланярви (Финляндия) можно показать, что

осуществление отдельных мер по восстановлению его экосистемы

(регулирование уровня с 1959 г., применение зимнего аэрирования

водной массы с начала 70-х годов, прекращение сброса сточных вод

в озеро с 1979 г.) не исключает необходимости принятия дополни-

тельных мер по улучшению его состояния.

Озеро расположено в 30 км к северу от г. Хельсинки и является

одним из наиболее изученных в Финляндии (Pekkarinen, 1990). Пло-

щадь водосбора озера равна 92 км

, площадь зеркала 5.95 км

, объем

водной массы 19.15 млн м

, средняя глубина озера 3.3 м, а наиболь-

шая 10.0 м. Условный водообмен равен 1.4. Уже в 30-е годы летом

в озере наблюдалось цветение воды, хотя озеро было мезотрофным.

Особенно сильное эвтрофирование озера произошло в 50-е годы.

Несмотря на принятые меры, указанные выше, озеро оставалось ги-

перэвтрофным из-за рассеянных источников загрязнения (сток с сель-

скохозяйственных угодий) и мобилизации биогенных элементов из

8 Восстановление экосистем

113

/к \ донных отложений. В нас-

J S Y —- тоящее время озеро находит-

. ) у \ ся в равновесном (устойчи-

) \ J \ вом) состоянии, разработан

/ \ / I J I проект его восстановления.

( i J Y \

в 03e

впадает 10 ручьев

\ V-, I \ ( \ (рис. 25) с площадью водо-

\ \ \ \ \ / \ сбора от 0.6 до 19 км

, а вы-

I j Л \ \J \ текает р. Тусуланеки, водо-

/ С г V Y\ ^

кото

Р°й 024 км

) вклю-

/ { L д Щ I

чает 38,3

леса

34-5

паш

) 1 Г?/Л / ни, 17.4

селитебной терри-

Ч^^ ) ) / тории, 6.3

озер, 2.2

дре-

/ нированных и 1.3% естест-

/ f O

/ венных болот.

I Л If / Мониторинг озера, про-

\ ГУ

г \ Jr j

водимый более или менее

\ д / \ /f ( регулярно с 1961 г. и систе-

J J^-ч/ / матически с 1974 г., позво-

\ I/ J I лил отследить состояние озе-

^" "^pJ J ра в разные периоды его

жизни и оценить влияние

отдельных мероприятий на

его экосистему. В состав ис-

следований входило определение содержания кислорода, биогенных

элементов, хлорофилла а, фитопланктона на глубоководной станции

два раза в месяц в течение вегетационного сезона. В остальное время

отбирались пробы воды на химический анализ - один раз в месяц

как на глубоководной станции, так и на других. Наблюдениями уста-

новлено, что средняя продолжительность ледостава на озере равна

150 дням. Максимальная годовая амплитуда уровня в озере за 1961—

1980 гг. составила 1.33 м. В связи с регулированием озера и использо-

ванием его для водоснабжения уровень воды перед весенним поло-

водьем (в конце марта) понижается на 40 см и лед оседает на грунт,

что приносит ущерб рыбоводству. Несмотря на ряд принятых мер,

современная фосфорная нагрузка на озеро составляет 0.75 г/м

в год

и более, чем в 4 раза, превышает допустимую концентрацию (0.085-

0.17 г/м

) (Vollenweider, 1975). Для выработки необходимых меро-

приятий, направленных на снижение биогенной нагрузки на озеро,

прежде всего была оценена роль отдельных источников, в том числе

и донных отложений, в общем поступлении фосфора.

На основе баланса общего фосфора установлено, что 38

годово-

го поступления Р

общ

дает сток с сельскохозяйственных угодий,

15 %

- населенные пункты вне системы канализации,

12 %

- продукты

Рис. 25. Схема водосбора оз. Tyy-

суланярви.

114

эрозии, 4

- сток с городских территорий. Все это составляет только

поступления -Р

бщ в безледный период, а 70

дают донные

отложения.

Проектом восстановления озера предусмотрены мероприятия

как на водосборе, так и в водоеме. Разработана программа, ограни-

чивающая внесение удобрений и принятая фермерами. Рекомендует-

ся создание водоохранных зон шириной 2 м вдоль всех притоков

и вокруг источников. Предполагается создать систему канализации

и централизованной очистки сточных вод хуторов, малых поселений,

ферм, сбора ливневых вод с городской территории. Кроме этого, ре-

комендуется не снижать уровень озера в весеннее время так сильно

(40 см), а во вторую лоловину 90-х годов осуществить переброску во-

ды через оз. Русутярви (рис. 25) из оз. Пяйлы, которое еще находится

в олиготрофном состоянии (содержание Р

в озере менее 10 мг/л),

и довести таким путем уровень Р

о6щ

в Русутярви до 50 мг/л. Призна-

ется необходимым продолжить аэрацию водной массы при ледоставе,

гиполимниона летом и исследовать проблему оксигинации поверх-

ностного слоя отложений, так как эффект такой обработки пока

неизвестен.

Планируется удаление донных отложений из сильно эвтрофиро-

ванной северной части озера с площади 3.5 га слоем 1 м. Стоимость

этих работ оценивается высоко (около 2 млн марок) из-за отсутствия

поблизости места для их складирования. Однако нельзя ожидать

улучшения качества воды в остальной части озера в связи с неболь-

шой площадью изъятия отложений. Помимо перечисленного пред-

полагается провести биоманипуляцию - внедрение других видов

рыб. В 1986-1989 гг. сетями были выловлены из оз. Русутярви язь,

подлещик и заменены интродуцированным,быстро растущим жери-

хом. Этот эксперимент показал перспективность использования био-

манипуляции для улучшения состояния экосистемы озера.

5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ МЕРОПРИЯТИЙ

ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ОЗЕР

Мероприятия по восстановлению экосистем озер чаще всего

осуществляются комплексно как на водосборе, так и в самом водое-

ме, что затрудняет оценку эффективности каждого из этих мероприя-

тий в отдельности. Задача осложняется также отсутствием данных

наблюдений за биотическими и абиотическими элементами экосис-

темы озера в течение периода, предшествующего его восстановле-

нию. Во всех случаях интегральным показателем эффективности вос-

становительных работ должно стать улучшение химических и гид-

робиологических характеристик озера. Поэтому мониторинг озера

и его водосбора в период после осуществления запланированных

мероприятий должен войти составной частью в проект восстановле-

ния озера. Для этого необходимо в течение 2-3 лет выполнить тот же

комплекс исследований, который был осуществлен в предпроектный

период (см. п. 4.1). В литературе накоплен достаточно большой мате-

риал по экологическим последствиям восстановительных мероприя-

тий для того, чтобы оценить их эффективность в различных физико-

географических районах.

5.1. Влияние снижения поступлений биогенных элементов

на трофический статус озера

Связь трофического статуса озер с биогенной нагрузкой на озе-

ро, лежащая в основе концепции восстановления лимнической эко-

системы, в настоящее время является общепризнанной. Снижение

поступления биогенных элементов в озеро лежит в основе большин-

ства планируемых восстановительных мероприятий: очистка сточных

вод, отведение сточных выбросов, уменьшение влияния рассеянных

источников загрязнения в сельскохозяйственных районах. Эти меро-

приятия будут эффективны, если процессы эвтрофирования обрати-

мы. Кроме того, поскольку все эти мероприятия связаны с уменьше-

нием поступления фосфора, необходимо установить, является ли

фосфор основным элементом эвтрофирования.

Зарубежный опыт активного воздействия на экосистему озера

богаче отечественного. Достаточно напомнить, что отвод сточных вод

за пределы оз. Вашингтон позволил в течение 1963-1968 гг. восста-

116

новить прозрачность воды в озере до уровня, соответствующего

1930 г. (Валлентайн, 1978), и уменьшить частоту „цветения". Из той

же работы следует, что небольшое озеро площадью зеркала 3.6 га

и с максимальной глубиной 6 м в течение двух лет еженедельно

удобрялось смесью углерода (в виде сахарозы), азота (в виде хлорис-

того аммония) и фосфора (фосфорная кислота). В результате средняя

годовая концентрация хлорофилла а в первый год возросла от 35

(до удобрения) до 65 мг/м

, во второй - до 90 мг/м

и упала до

40 мг/м

в третий год, когда фосфор был исключен из удобряющей

смеси. Этот опыт показал обратимость антропогенного эвтрофирова-

ния при исключении обогащения фосфором.

Озеро Цюрихское (Швейцария) площадью зеркала 65 км

, средней

глубиной 51 м в начале XX в. подверглось интенсивному эвтрофиро-

ванию за счет поступления бытовых сточных вод. После постройки

очистных сооружений и уменьшения биогенной нагрузки озеро при-

обрело черты мезотрофного. Прозрачность воды в озере 2.4-8.0 м,

рН 7.7-8.7, концентрация хлорофилла а 0.02-11.5 мкг/л, содержание

общего фосфора 1-280 мкгР/л (Data..., 1987).

В оз. Маджоре, расположенном на границе Италии и Швейцарии,

площадью зеркала 212 км

и средней глубиной 176 м в 1960-1977 гг.

отмечались увеличение концентрации биогенов и эвтрофирование

литорали. После введения в эксплуатацию очистных сооружений,

через которые проходят все стоки, поступающие в озеро, концентра-

ция биогенных элементов начала снижаться и в последние 10 лет

состав и биомасса фитопланктона, концентрация хлорофилла и пер-

вичная продукция сохраняются на постоянном уровне. Прозрачность

воды в озере 4-19 м, рН 7, концентрация хлорофилла а 1-10 мкг/л,

содержание

-Р

бщ

20-120 мкгР/л (Data..., 1987).

Предпринятые в середине 70-х годов меры по совершенствованию

очистки стоков, поступающих в оз. Веттерн (Швеция) - крупнейший

олиготрофный водоем, уменьшили поступление в озеро фосфора

и ликвидировали симптомы его эвтрофирования, хотя осталась проб-

лема загрязнения озера нитратами (Wiederholm е. а., 1989). В другом

крупном озере Швеции оз. Меларен также при сокращении поступле-

ния фосфора уменьшилось развитие фитопланктона и прозрачность

воды увеличилась с 0.5 до 2 M(Forsberg, 1987).

В оз. Туусуланярви (Финляндия) с 1959 г. осуществлялось регули-

рование уровня, с зимы 1972/1973 г. регулярно применялось аэриро-

вание водной массы, но биогенная нагрузка оставалась высокой:

в 1970-1978 гг. годовая нагрузка на озеро общего фосфора составля-

ла 2.3 г/м

, а общего азота - 27.2 г/м

(Pekkazinen, 1990). Озеро удер-

живало 57-

86 %

общей нагрузки фосфора. Пик загрязнения был

в 1978 г. Биомасса фитопланктона возросла до 170 мг/л против 1 мг/л

в 50-е годы, когда озеро было мезотрофным. После отвода в 1979 г.

сточных вод биогенная нагрузка на озеро уменьшилась более чем на

50% и составила в среднем 1.1 г/м

в год фосфора и 19.8 г/м

азота.

Озеро стало удерживать только 30-

40 %

поступающего фосфора,

117

Рис. 26. Связь годовой фосфор-

ной нагрузки на озера со средней

глубиной (по: Валлентайн, 1978).

Озера: 1 — Эри, 2

—

Вашингтон,

3 - Цюрих, 4

—

Онтарио. Светлые

кружки — до восстановления,

темные кружки — после восста-

новления.

5 10 50 100 500

а биомасса фитопланктона

уменьшилась до 10-20 мг/л.

После отвода сточных вод не

стало зимнего недостатка

кислорода.

Из приведенных приме-

ров следует, что снижение

поступлений биогенных элементов с водосборов даже сравнительно

больших озер способствует уменьшению их содержания в водной

массе. Это наглядно видно из рис. 26: многие озера после уменьше-

ния биогенной нагрузки понизили свой трофический статус. При

оценке эффективности снижения биогенной нагрузки необходимо

учитывать изменение климатических и ландшафтных условий на

водосборе за многолетний период (Schmidt, Simola, 1991). Например,

на водосборе оз. Хеллерер (Австрия) с площадью зеркала 20 км

на

протяжении его истории леса неоднократно сводились и восстанав-

ливались, а лесной ландшафт сменялся пашней, что нашло отражение

в колонке отложений. Установлено, что в XVI в., когда лес сводили

для возделывания земли под культурные растения, трофический ста-

тус озера был близок к современному. Следовательно, только рас-

пашка водосбора, даже без применения удобрений, способствует

повышению трофического статуса озера.

Нередко очистка сбрасываемых в озера промышленных и быто-

вых стоков оказывается недостаточной для восстановления лимни-

ческой экосистемы и сочетается с другими восстановительными ме-

рами. Например, оз. Векша (Швеция) площадью зеркала 1 км

и сред-

ней глубиной 1.6 м до начала XX в. было олиготрофным, но рост на-

селения, поступление бытовых и промышленных стоков привели

к интенсивному его эвтрофированию. Прекращение в 1958 г. сброса

в озеро сточных вод не привело к улучшению качества воды, и толь-

ко после удаления из озера в 1970-1971 гг. 60 см восстановленного

черного и коричневого ила средняя годовая биомасса фитопланктона

снизилась почти в 8 раз. Прозрачность воды в озере стала 0.35-

0.85

м,

рН - 5.4-6.7, концентрация хлорофилла - 14-113 мг/м

, содержание

растворенного кислорода - 8.0-11.5 мг/л, общего азота - 0.5-0.9 мг/л

и общего фосфора - 0.09-0.11 мг/л (Data..., 1987). В других мелковод-

ных озерах Швеции (озера Финясен, Малмсен, Норвикен) для предот-

вращения эвтрофирования также потребовалось удалять биогенные

вещества из донных отложений (Forsberg, 1989). Аналогичная ситуация

118

возникла на Великих озерах, где предпринятая очистка сбрасываемых

в озеро сточных вод привела во второй половине 70-х годов к устой-

чивой тенденции понижения уровня трофии (Barica, 1989), но воз-

никла другая проблема - взаимодействие между биогенными ве-

ществами и аккумулированными в донных отложениях токсичными

веществами. В оз. Туусуланярви (Финляндия) после прекращения

сброса сточных вод исчез дефицит кислорода зимой, но летом при

спокойной погоде запас кислорода на глубине 8-10 м быстро исто-

щался. Поэтому с 1980 г. начали аэрировать гиполимнион в июне и

июле, чтобы предотвратить освобождение фосфора из донных отло-

жений. В указанные месяцы 1980 г. из донных отложений в водную

массу поступало 6 мг/м

в сутки фосфора. Теплым летом 1988 г. даже

аэрация не могла предотвратить полное истощение кислорода в слое

воды от 7 до 10 м глубины.

Очистные сооружения - необходимое, но недостаточное условие

для быстрого восстановления озерной экосистемы. Для полного вос-

становления оз. Сува (Япония), где в 1979 г. начали работать очист-

ные сооружения, понадобилось 10 лет (Present..., 1990). Для ускорения

этого процесса требуется проведение водоохранных мероприятий на

водосборе.

Нарушение лимнической экосистемы происходит как при поступ-

лении в озера избыточного количества биогенных веществ, так и дру-

гих загрязнителей. Поэтому важно знать, как долго продолжается

действие тех или иных веществ. В 70-х годах озера, расположенные

в лесопарке близ г. Казани, и оз. Верхний Кабан обрабатывались ДДТ

для борьбы с малярией. В 1978 г. применение пестицидов было прек-

ращено. Уже в 1980-1981 гг. отмечено резкое сокращение его кон-

центрации в воде озер (до 0.018 мг/л), а в 1985-1986 гг. содержание

пестицидов в воде находилось на уровне фона (0.6-1.0 мкг/л). Макси-

мальная концентрация ДДТ в илах (0.3-1.1 мкг/л) отмечена в оз.

Лебяжьем, илы которого загрязнены нефтепродуктами. Насыщение

ДДТ биоты к 1986 г. снизилось на 70-90 %, но в ряде водоемов оно

по-прежнему превышает критический предел (Дегтярева и др., 1990).

5.2. Изменение озер при их реконструкции в водохранилище

Большой опыт эксплуатации озерных водохранилищ (регулируе-

мых озер) накоплен в Карелии, где они создавались в целях гидро-

энергетики, водного транспорта (Баранов, 1961; Григорьев, 1961, 1962;

Гуляева, 1961; Литинская, 1961). Зарегулированы в основном круп-

ные озера. Изменения, возникающие после зарегулирования озер,

зависят от степени изменения абиотических факторов. И. В. Баранов

(1961) делит озерные водохранилища на три типа. К первому типу

относятся водоемы, в которых после зарегулирования значительно

возрастают уровень воды и все морфометрические характеристики

(площадь зеркала, наибольшая и средняя глубины), но водообмен

почти не изменяется.

водоемах второго типа после зарегулирования

119