Оценка степени воздействия колебаний речного притока и синоптических условий на формирование качества воды водохранилищ (РФФИ)НИР

Estimation of the influence of river inflow and synoptic situation fluctuations on the formation of water quality in reservoirs

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 18 февраля 2015 г.-31 декабря 2015 г. Обоснование и разработка сценарных модельных расчетов процессов формирования качества воды при различных гидрометеорологических и синоптических условиях
Результаты этапа: Подготовлен литературный обзор, подробно рассматривающий 17 наиболее распространенных в лимнологической литературе моделей продукционных процессов в водоемах, основанный на анализе 80 работ отечественных и зарубежных авторов. Выявлены особенности характера развития половодья и режима заполнения водохранилища водами половодья. В начале половодья большие объемы речных вод вытесняет зимнюю водную массу водохранилища. В средней части водохранилища формируется ядро весенних вод, отделенное от зимних вод водохранилища фронтальной зоной, постепенно размываемое плотностными, дрейфовыми течениями и ветром. Разработана классификация показателей режима весеннего заполнения водохранилища многолетнего регулирования. В качестве таких показателей приняты: проточность водохранилища, соотношение зимних вод водохранилища с водами половодья, затопление прибрежной полосы, интенсивность заполнения водохранилища. Выявлены особенности структуры водных масс в водохранилище в период весеннего наполнения. Показано, что формирование запаса биогенных и органических веществ зависит от уровня воды в водохранилище накануне наполнения и от объема половодья. В годы с высоким половодьем этот запас значительно выше. В блоке «фитопланктон» математической модели ГМВ-МГУ уточнены параметры функционирования трех групп фитопланктона в экосистемах водохранилищ Московского региона. Кислородный блок модели дополнен алгоритмом расчета всех составляющих кислородного баланса с учетом приоритетности потребления О2 на окислительные процессы и процессы жизнедеятельности водных организмов. Валидация по данным полевых наблюдений 2012 и 2014 гг. показала удовлетворительное качество расчетов. С учетом внесенных в алгоритм изменений подготовлена рукопись второго издания книги «Гидрологическая модель водохранилищ: руководство для пользователей». Для дальнейшей валидации подпрограммы «фитопланктон» проведены гидролого-гидрохимические съемки Можайского водохранилища в периоды пиков цветения диатомовых (27 мая) и синезеленых (10 августа) водорослей. Установлены изменения в структуре фитопланктона и увеличение его количества при переходе от речного участка водохранилища к центральному району смешения речных вод с водами водохранилища и дальнейшее снижение по направлению к плотине. Разработаны и обоснованы комплексы сценариев модельных расчетов для анализа влияния на качество воды водности и погодных условий в весенний период, а также внешней нагрузки биогенных элементов, имеющей важнейшее значение для развития фитопланктона в вегетационный период. Проведен анализ влияния синоптических условий в летний период на особенности развития термической стратификации в Можайском водохранилище. Наличие жарких периодов увеличивает продолжительность периода стратификации и значения средних градиентов температуры воды. Продольные различия температуры воды при высоком уровне остаются наибольшими в начале периода нагревания в мае и в середине октября. Жаркая погода увеличивает продолжительность вегетационного периода из-за накопления теплозапасов водной массой в глубоководных отсеках.
2 25 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Оценка степени воздействия колебаний речного притока и синоптических условий на формирование качества воды водохранилищ
Результаты этапа: Уточнены некоторые параметры фитопланктонного блока модели и внесены изменения в алгоритм расчета, отражающий потери биомассы фитопланктона в результате его смертности. Разработана методика подготовки файла текущих исходных данных с суточным разрешением, которая позволяет при минимуме исходной информации режимных наблюдений на метеостанции и гидроузле получать значения расходов притока воды в водохранилище по основным рекам и среднесуточные значения гидрохимических характеристик состава воды притоков Сформирован файл текущих исходных данных за период 1961-2015 гг., который включает в себя всю необходимую для расчета информацию. Верификационный расчет за 55-летний период показал, что модель вполне адекватно отражает особенности гидрологического режима Можайского водохранилища, включая его ледовый, термический и гидрохимический режим, в течение всех расчетных лет. Для оценки влияния водности года на формирование качества воды в водохранилищах нами проведены расчеты по сценариям маловодных и многоводных лет в водохранилищах Волжской системы водоснабжения г.Москвы. Проанализированы изменения химического стока железа, марганца, хлоридов, биогенных и органических веществ в различные по водности годы в водных объектах волжского источника водоснабжения г.Москвы. В водохранилищах системы независимо от водности происходит улучшение качества воды. В многоводные годы концентрации большинства из этих показателей состава воды выше, чем в маловодные, когда возрастают концентрации показателей, связанных с антропогенными загрязнениями вод. По данным регулярных наблюдений за режимом растворенного кислорода в 16 водоемах мира получены линейные регрессионные зависимости величины годовой первичной продукции, при которой может наблюдаться аноксия в гиполимнионе водоема. Установлена обратная линейная зависимость критической первичной продукции с коэффициентом формы озер, проверенная на независимом материале наблюдений за кислородным режимом озер. Проведенные расчеты многолетних изменений биомассы фитопланктона в Можайском водохранилище позволили путем статистического анализа линейных связей выявить наиболее значимые факторы межгодовой динамики продукционных процессов и развития фитопланктона в водохранилище. При большом объеме весеннего половодья следует ожидать снижения средней продуктивности водохранилища при условии отсутствия или незначительности летне-осенних дождевых паводков. При большом объеме дождевых паводков продуктивность водоема резко возрастает. Установлено, что именно паводочный сток, формирующий внешнюю биогенную нагрузку на водоем, определяет уровень годовой первичной продукции водохранилища. Чем больше объем оставшихся в водохранилище зимних вод по сравнению с объемом половодья, тем больше будет средняя продуктивность водохранилища и чем больше величина предвесенней сработки водохранилища, тем ниже в нем будет средняя за сезон биомасса фитопланктона. Выявлено, что температура воды и температура воздуха могут быть хорошими предиктором продолжительности цветения водоема. Повышенная температура воздуха как фактор условий прогрева водных масс способствует более длительному поддержанию высоких биомасс водорослей. На продолжительность цветения по всему водоему оказывает существенное влияние и интенсивность внутренней биогенной нагрузки.
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Оценка степени воздействия колебаний речного притока и синоптических условий на формирование качества воды водохранилищ
Результаты этапа: По программе полевых исследований. на Можайском водохранилище выполнен цикл полевых исследований по программе лимнологического эксперимента «Многосуточная вертикаль–2016». Рейдовая станция глубиной 12 м назначена в русловой ложбине Москва-реки в Красновидовском плесе (1,5 км2) центрального района водохранилища на удалении от берегов не менее 400 м. Комплексные наблюдения длились с 5 июня по 22 августа 2016 г. По результатам наблюдений анализировалось влияние внутрисуточной конвекции на продукционные процессы в водохранилище в период с 30 июня по 8 июля. Различие погодных фаз в изменении вертикальной структуры водной массы в том, что в антициклональную фазу погоды (АФП) формировался дневной слой температурного скачка (СТС) с 9:00 – начала утреннего нагрева воздуха с 17 до 24оС и температуры воды Т0,5. В сезонном СТС зарегистрированы внутрисуточные колебания, вызванные, внутренними волнами. Наиболее заметно (на 22–24%) снижение в воде трофогенного слоя содержания О2 из-за 10%-ного уменьшения интенсивности первичной продукции ОВ с одновременным 20%-ным увеличением максимальных за сутки величин его деструкции. Диапазон внутрисуточной их изменчивости с очень большой величиной Cv (до 76%) остался примерно таким же, как и в АФП. И он стал заметно меньше только для О2% нас. вследствие увеличения растворимости кислорода. Наиболее контрастно проявилось влияние смены погоды при сравнении сумм ежечасных величин продукции в дни с экстремальными значениями суточной чистой продукции ОВ: в АФП 30 июня ФАР 2,6 кВт/м2, среднечасовые ППвал =0,28 О2 мг//л, Д=0, О2 мг/л сут, в циклональную фазу погоды (ЦФП) 5 июля ФАР 1,8 кВт/м2, среднечасовые ППвал=0,18 О2 мг//л, Д=0,18 О2 мг/л сут. Наиболее важным результатом проведенной серии гидролого-гидрохимических съемок можно считать выявленные особенности развития зоны аноксии в водохранилище и, связанные с летней стратификацией и продукционными процессами изменения концентраций биогенных элементов в водохранилище. Для развития модели ГМВ-ТМО разработана методика подготовки блока исходных данных для выполнения диагностических расчетов по модели, включающего файл базовых данных водохранилища, файла начальных условий и файла текущих гидрометеорологических и гидрохимических данных при наличии данных непосредственных натурных наблюдений и при их отсутствии; алгоритм формирования блока выдачи результатов счета основных расчетных характеристик модели с возможностью их обработки в программе Microsoft Excel; внесены изменения в описание структуры модели и подготовлено методическое руководство для пользователей, включающее не только описание модели, но и примеры ее использования для решения научно-исследовательских задач. На основе данных наблюдений за наполнением москворецких водохранилищ с разработана классификация показателей режима весеннего заполнения водохранилища многолетнего регулирования, которая была использована при анализе структуры водных масс и формирования биогенной нагрузки водохранилища. Анализ результатов расчетов изменений концентраций фосфора в Можайском водохранилище за многолетний (55-летний) период позволил установить основные закономерности режима фосфора в период наполнения водохранилища. За прошедшие 55 лет наблюдается хорошо выраженный положительный линейный тренд объема зимнего притока воды, который показывает, что за это время зимний приток воды в водохранилище увеличился более, чем в 2 раза (в среднем с 33,7 до 75,6 млн.м3). В конце зимы количество фосфатов в водоеме тесно связано с объемом зимнего притока. С поступлением речных вод половодья запасы фосфатов быстро пополняются, достигая своего максимума в среднем спустя неделю после прохождения пика половодья на реках водосборного бассейна. Расчетные значения составляющих баланса минерального фосфора в весенний период, позволяют выделить изменения доминирующих потоков при наполнении водохранилища. В приходной части баланса фосфатов в это время доминирует (98%) их поступление с речным притоком, в расходной части – седиментация фосфатов с минеральной взвесью (42%). В среднем максимум содержания фосфат-иона в водохранилище приходится на 18 апреля. Диапазон изменения этой даты 22 марта – 9 мая. Величины максимальных запасов фосфатов колебались в пределах 8,3-54,9 тонн при среднем значении (50% обеспеченности) – 22,9 тонн и изменчивости ряда 38%. Изменение объема весеннего половодья с момента создания водохранилища по настоящее время имеет слабо выраженный отрицательный линейный тренд. Установлено, что чем выше температура воздуха в начале весны и чем интенсивнее подъем половодья на реках водосбора, тем меньше в водоем поступает фосфатов с его водосбора. Максимум содержания фосфатов в водохранилище наступает, как правило, раньше момента его максимального весеннего наполнения, т.е. снижение запаса фосфатов начинает происходить еще при продолжающемся заполнении водохранилища. После достижения максимума биомассы весеннего фитопланктона и начала его отмирания скорость снижения запасов фосфатов существенно замедляется. Влияние водохранилища на трансформацию химического стока и формирование качества воды в нижнем бьефе рассматривалось на основе анализа многолетних изменений составляющих баланса химических веществ в водохранилище. Для оценки многолетней изменчивости растворенного минерального фосфора (РМФ) использовались результаты расчета экологического состояния Можайского водохранилища по модели ГМВ-МГУ в различные по гидрометеорологическим условиям годы. Рассчитанные (в тоннах) ежесуточные потоки этих составляющих баланса для всего водохранилища суммировались и определялись годовые балансы минерального фосфора за весь период расчета (1961-2015гг.). Рассматриваемые составляющие фосфорного баланса разделялись на внешние (приток и сброс из водохранилища) и внутренние, потоки которых связаны с процессами метаболизма водных организмов и обменными процессами на границе донных отложений. В приходной части внешнего баланса РМФ преобладает приток с речными водами, значительно превышающий сброс фосфора с нижний бьеф. Межгодовые колебания речного притока РМФ изменяются в диапазоне 20 – 100т и зависят от гидрометеорологических условий года. Наименьшими значениями в приходной части баланса характеризуется поступление РМФ в результате его диффузии из донных отложений. Низкие значения этого потока обусловлены особенностями модельного расчета этой составляющей баланса фосфора. Поток РМФ в донные отложения определяется сорбцией этой формы фосфора на взвесях и нерастворимых соединениях железа и марганца с последующим осаждением и намного превышает его диффузию из донных отложений. Эта расходная составляющая баланса в среднемноголетнем аспекте существенно превышает сброс РМФ в нижний бьеф. Во внутренних потоках фосфора, связанных и жизнедеятельностью водных организмов, доминирует потребление РМФ на развитие фитопланктона. Часть потребленного фосфора возвращается в воду в процессе дыхания и экскреции организмов, часть – в результате разложения детрита и аллохтонного органического вещества, при этом эти два потока соизмеримы по величине. Превышение величины потребления РМФ над суммой потоков выделения и разложения объясняется тем, что некоторая часть потребленного фосфора поступает в донные отложения и аккумулируется в водохранилище в результате осаждения фитопланктона и детрита. Среднемноголетнее значение результирующей величины рассчитанных потоков РМФ, названной нами аккумуляцией, в Можайском водохранилище составила 26% от величины его притока. Влияние гидрометеорологических особенностей отчетливо проявляется в изменении структуры и соотношения балансовых составляющих РМФ в отдельные фазы гидрологического режима водохранилища. Поэтому по многолетним данным были проанализированы различия рассмотренных составляющих баланса РМФ в отдельные фазы режима водохранилища. Внутренние потоки РМФ, связанные с обменными процессами биоты и играющие столь значительную роль в годовом балансе фосфора, проявляются только в вегетационный период, начиная с периода спада половодья, когда в водохранилище начинается цветение диатомовых водорослей. Общая результирующая баланса РМФ достигает максимальных положительных значений в период половодья, особенно на его подъеме, а в меженный период при небольшом притоке за счет седиментации она становится даже отрицательной. Незначительно колеблется по фазам величина диффузии из донных отложений, которая максимальная в период летней межени, и седиментация, закономерно повышающаяся в периоды подъема водного притока – в половодье и паводки. Для оценки влияния режима уровней водохранилища в вегетационный период на развитие фитопланктона в водохранилищах в расчетах по модели реализована серия сценариев, предусматривавших различную интенсивность летней сработки водохранилища. Обратная связь развития фитопланктона с уровнем водохранилища объясняется тем, что в жаркое сухое лето с низким уровнем, в водохранилище обычно выше температура придонного слоя воды. Вследствие этого, а также из-за малой глубины, складывается определенная цепь причинно-следственных связей. Более интенсивный удельный поток детрита в гиполимнион приводит к быстрому поглощению кислорода при разложении органического вещества. Возникновение резкого дефицита кислорода в придонных слоях стимулирует регенерацию биогенных веществ из донных отложений. В результате увеличивается внутренняя биогенная нагрузка. В этих условиях, на фоне малого притока биогенных веществ с водосбора, даже короткое штормовое перемешивание слоев приводит к быстрому обогащению прогретого эпилимниона биогенными веществами и наблюдается интенсивное развитие фитопланктона, иногда в виде резких вспышек цветения. В многоводные годы с высоким уровнем водохранилища эти процессы протекают гораздо менее интенсивно и развитие фитопланктона происходит слабее. Влияние уровня воды на продукционные процессы проанализировано на примере сценарных расчетов развития фитопланктона в проектируемом Багаевском водохранилище на участке Нижнего Дона. В проекте гидроузла обсуждаются две отметки НПУ – 2.0 и 2.8 м. Расчетами по модели ГМВ-ТМО получено следующее, что в современных бытовых условиях при различных метеорологических характеристиках вегетационных сезонов средние за период цветения значения биомассы диатомовых водорослей в поверхностном слое Багаевского гидроузла изменяются в пределах 2,86–3,53 мг/л, максимальные – в пределах 4,95–6,17 мг/л, а синезелёных водорослей, соответственно, в пределах 3,40–3,67 мг/л и 5,53–6,23 мг/л. Создание водохранилища с НПУ 2,0 м приведёт к увеличению средних значений массы диатомовых водорослей по сравнению с современными бытовыми условиями не более, чем на 5%, синезелёных водорослей – на 4–7%. Максимальные среднесуточные значения биомассы водорослей в поверхностном слое увеличатся для диатомовых на 1–5%, для синезелёных – на 1–4%. В нижний бьеф гидроузла будет поступать вода с содержанием синезелёных водорослей в среднем на 1–5% больше, чем в бытовых условиях. При НПУ водохранилища 2,8 м средние значения биомассы диатомовых увеличатся по сравнению с бытовыми условиями на 13–23%, максимальные значения – до 15%, в нижний бьеф в период их «цветения» будет поступать вода с повышенной на 7–19% биомассой водорослей. Среднее содержание синезелёных водорослей увеличится на 16–26%, максимальное – на 14–17%, их содержание в нижнем бьефе возрастёт на 13–21% в зависимости от погодных условий вегетационного сезона.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".