Текст книги "Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим"

Прямая связь водного режима водоемов с климатом является хорошо известным фактом. А гидроморфометрические и климатические факторы, в свою очередь, оказывают определенное влияние на развитие и протекание гидробиологических и гидрохимических процессов. Гидробиологическая система аридных озер отличается своей уникальностью и своеобразием от водоемов гумидных зон [1; 57-60]. Основные результаты многолетних трудоемких исследований качественного состава и количественного развития отдельных видов фитопланктона, фитомикробентоза и зоопланктона озер и рек Балкашского бассейна и других бассейнов РК нашли отражение в трудах Н.А. Амиргалиева и его коллег [1; 61-64], С.А. Матмуратова с сотрудниками [65; 66], А.А. Турсунова и его учеников [1; 24; 40; 50]. Одним из главных вопросов в динамике гидробиологических процессов является факт вовлечения в трофическую цепь значительной части привносимых с водосбора в озеро минеральных солей, тем самым, способствуя опреснению его вод. Кроме того, отдельные виды рыб используют в качестве пищи белую глину, насыщенную доломитом и отмершим зоопланктоном. Количественная сторона этого вопроса до настоящего времени не исследована достаточно полно, в связи с чем не учитывается при расчетах солевого баланса озер.

Фитопланктон начинает трофическую цепь, который при своем развитии использует из воды минеральные и органические вещества. Он служит кормовой базой для зоопланктона, которым в свою очередь питаются многочисленные простейшие организмы и моллюски, живущие на дне водоема. Зообентос – кормовая база ихтиофауны, а ихтиофауна – пища для птиц, зверей и людей. Многочисленные водоросли или макрофиты также являются неотъемлемой частью биосистемы любого водоема, они также при развитии используют не только макроэлементы донных отложений, но и микроэлементы химического состава воды (прямое питание через листья).

В силу того, что водные массы аридных водоемов подвергаются частому ветровому перемешиванию и в нем преобладают сильные ветровые течения, многие виды биоценоза не приживаются на средних участках. Они приспосабливаются к жизни и развитию в береговой зоне, как правило, заросшей растительностью. Здесь создаются более благоприятные условия и в отношении солнечной радиации, которая в открытых участках становится проникающей и может убить биоту. Итак, на основании вышеприведенного материала можно выделить несколько отличительных особенностей биосистем аридных водоемов. Во – первых, биомасса по акватории водоема распределена весьма неравномерно: больше всего ее находится в береговой зоне, мелководных заливах, прибрежных озерах и лагунах. Во – вторых, качество и количество биомассы подвержено сезонным колебаниям и обусловлено главным образом климатическими условиями. В пользу этого можно привести следующие данные, полученные Институтом зоологии МОН РК [61; 65; 66]. Весной на акватории озера и в дельте р. Иле число планктона достигает 400 тыс. экз. в 1 м³ воды. В это время они активно развиваются и размножаются. В мелководье идут на нерест промысловые рыбы. Летом из-за нагрева воды и проникающей солнечной радиации большинство видов фито – и зоопланктона, зообентоса отмирает, их число существенно сокращается до нескольких десятков в единице объема воды. Биота продолжает свое существование только у берегов, в тени камышовых кулис, на дне глубоких плесов и в дельтовых озерах, притоков рек.

Осенью многие виды биоценоза вновь развиваются, т.к. температура воды и интенсивность солнечной радиации снижается. Здесь из–за частых штормов водные массы с биотой, донными организмами интенсивно перемешиваются. Тем не менее, численность некоторых видов планктона может достигать нескольких тысяч экземпляров. В зимнее время вода озера сильно охлаждается, акватория покрывается льдом, и жизнь снова замирает, многие виды рыб впадают в анабиоз, находясь в глубоких участках.

В – третьих, приведенная выше сезонность жизни в аридных водоемах обусловливает двукратное за год обновление и отмирание водных растений и животных, поэтому им не свойственен процесс евтрофикации. По этой причине аридные водоемы не зависимо от размера не зарастают водорослями и в прибрежных зонах не образуют болота, как это отмечается в озерах гумидных зон. По удачному выражению профессора А.А. Турсунова «здесь кроется секрет исключительной долговечности крупных бессточных водоемов, таких как: Аральское море, оз. Балкаш, Алаколь, Эбиноор (КНР) и др. В перечисленных выше отличительных особенностях аридных водоемов, вернее, в неучете их, мы видим причины многих «ошибок» и «парадоксов» [24].

Роль гидробиологических процессов в эмерджентности аридных водоемов на примере оз. Балкаш изучалась авторами [67-69]. Изменение биологических показателей озера в многолетнем (1963–1999 гг.) цикле выявлено в монографии [61]. Показано, что ход численности фито – и зоопланктона в течение последних 40 лет хорошо согласуется между собой, за исключением периодов качественных изменений среды, приводящих к перестройке структур водных биоценозов. Такие изменения, согласующиеся с ходом уровня воды, наблюдались в оз. Балкаш в 1974–1975, 1979–1980 гг. В последующие 12 лет биомасса фито – и зоопланктона изменялась относительно синхронно. В 1993–1995 гг. согласованность, не связанная с изменением уровня и минерализации воды, нарушается. С 1994 г. зоопланктон несколько стабилизировался, а в последующие 4 года вновь отмечается некоторое его возрастание. Проявляется заметная тенденция повышения биомассы зоопланктона в озере с середины 70– х годов. С того времени межгодовая средняя биомасса возросла примерно в 3,4 раза, а биомасса фитопланктона снизилась (с середины 90-х годов) в 3 раза. Важно подчеркнуть, что колебания фито – и зоопланктона пока не выходят за пределы среднемноголетних значений.

Бентосные организмы находятся в несколько ином положении. С 1986 по 1995 гг. происходило некоторое снижение их биомассы, обусловленное, вероятно, влиянием повышения солености воды. С 1996 г. биомасса бентоса резко увеличивается, по-видимому, из-за снижения улова рыбы. Как показали исследования КазНИИРХ, рост биомассы бентоса увеличился за счет моллюска гипания. Кроме того, коэффициент использования бентосных организмов рыбами в настоящее время остался на прежнем уровне, а значит, рыбное население в целом уменьшилось несущественно.

В Казахстане гидробиологические исследования водохранилищ – охладителей проводили с 1978 г. только на водоеме-охладителе Ермаковской ГРЭС [70; 71], где система охлаждения является прямоточной. Ввод в эксплуатацию ЭГРЭС-1 с оборотной системой охлаждения дал возможность сотрудникам Института зоологии МОН РК, кафедры неорганической химии КазНУ им. аль-Фараби, лаборатории водной микробиологии и вирусологии АН СССР (1982 г.) провести гидробиологические исследования на уникальных ВО ЭГРЭС-1, 2, КЕК и близлежащем Экибастузском резервном водохранилище [72; 73]. Основные результаты сводятся к следующему.

Численность бактериопланктона в воде ВО ЭГРЭС -1 в мае 1982 г. колебалась в пределах 0,55-1,85 млн.кл/мл, а летом возрастала до 2,1 млн. Максимальное количество бактериопланктона отмечается на участках, прилегающих к району сброса теплых вод. Сапрофитных бактерий летом больше, чем весной. Среднее их число в мае составляло 310 кл/мл, а в августе – 3082 кл/мл. Обычно в придонном слое показатели были выше, чем у поверхности. Количество олигокарбофильных бактерий часто на порядок было больше по сравнению с количеством сапрофитных бактерий. Среднее число их весной составляло 2130 кл/мл, а летом – 8202 кл/мл. Это указывает на то, что большинство микроорганизмов, обитающих в водоеме, способны в процессе жизнедеятельности довольствоваться небольшим количеством органического вещества. Кроме того, здесь в искусственном водоеме отмечены такие же сезонные колебания численности микроорганизмов, которые были выявлены для оз. Балкаш.

В распределении в водоеме бактерий, участвующих в круговороте азота, выявлены следующие закономерности: нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии в большом количестве (10-100 тыс.кл/мл) зафиксированы весной и летом. Отмечено возрастание численности микроорганизмов, участвующих в круговороте азота в зоне влияния теплых вод. Сульфатредуцирующие бактерии в большом количестве отмечены весной, концентрация их приурочена к участкам, густо покрытых водной растительностью, т.е. защищенных от действия ультрафиолетовых лучей Скорость размножения водных бактерий варьирует от 11 до 138 ч и зависит от количества легкоусвояемого ОВ и температуры воды. Суточный РВ– коэффициент в ВО ЭГРЭС-1, характеризующий продукционную способность, колеблется в пределах 0,16-1,43, что позволяет отнести водоем к мезотрофноевтрофному.

Таким образом, результаты микробиологического обследования водной массы ВО ЭГРЭС-1 показали, что бактериальное население этого водоема представлено богатой и разнообразной микрофлорой, которая в процессе своей жизнедеятельности использует и преобразует органическое вещество водоема. Особенностью ВО является усиление развития микроорганизмов в зоне сброса теплых вод ГРЭС, которое будет возрастать по мере повышения температуры и объема сбросных вод.

От таких компонентов биоценоза как фитопланктон и высшая водная растительность зависит охлаждающая способность воды водоема. При чрезмерном зарастании уменьшается площадь акватории, необходимая для охлаждения воды, т.е. «активная зона» охладителя. При «цветении» водоема и обильном развитии нитчаток масса водорослей скапливается на сетках водозаборов, что нарушает нормальную подачу охлаждающей воды и, в конечном счете, понижает выработку электроэнергии.

В фитопланктоне ВО ЭГРЭС-1 с 1979 по 1984 гг. выявлено 174 вида и разновидностей водорослей. Из них самыми богатыми по числу видов оказались диатомовые – 69 форм, зеленые – 53 и синезеленые – 34; видовое разнообразие других групп было гораздо меньше: эвгленовые – 10, профитовые – 7, золотистые – 1 вид.

В процессе формирования альгофлоры водохранилища флористический список менялся по годам. Некоторые виды исчезали совершенно или резко сократили обилие, другие, напротив, стали встречаться в больших количествах. К числу ведущих относится более 30 видов.

Состав доминантных комплексов и соотношение численности отдельных видов в течение года и на протяжении разных лет менялись в связи с изменением солевого, уровенного и температурного режимов водоема. При заполнении водохранилища его альгофлора в основном состояла из солоноватоводных и солелюбивых форм, большинство из которых в дальнейшем отсутствовало в фитопланктоне. Для сезонной динамики видового состава и численности водорослей водохранилища характерно изменение сроков вегетации растений под влиянием теплой воды. Особенно четко влияние теплых вод проявляется в зимний и весенний периоды.

Развитие нитчаток уже в настоящее время нарушает режим работы водозаборных сооружений ГРЭС, в связи с чем приходится прерывать работу водоподающих насосов и производить чистку решеток на водозаборах. В дальнейшем негативная сторона обильного развития нитчатых водорослей может усугубляться. Показатели среднелетней биомассы водорослей возрастали по годам от 1,75 до 8,14 г/м³ (1984 г.). В течение 1981-1983 гг. при стабилизации уровня водохранилища и баланса биогенных веществ «цветения» воды здесь не наблюдалось, но в 1984 г., когда ГРЭС-1 вышла на проектную мощность, и поступление тепла в водоем существенно возросло в летний период, вновь отмечалось «цветение» синезеленых и пирофитовых водорослей.

Итак, поступление дополнительного тепла в водоем благотворно сказывается на развитии водорослей до известных пределов, т.е. когда перегрев воды не превышает 5-6⁰С, а температура воды держится до 30-32⁰С. При увеличении температуры сбросной воды до 35-39⁰С, что отмечалось в отдельные дни в июле 1984 г., в зоне выхода теплых вод наблюдалось ухудшение физиологического состояния и изменения в структуре клеток водорослей. Численность их здесь также снижается по сравнению с участками, где температура воды не превышала 30 ⁰С. Можно полагать, что при постоянной работе станции на полную нагрузку развитие фитопланктона на всем протяжении потока перегретой воды будет угнетаться.

Понижение минерализации воды ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. более чем в 5 раз по сравнению с 1986 г. привело к исчезновению видов, обитавших в исходном водоеме (оз. Шандаксор) при высокой солености воды (до 14,1 г/л). Уже в первый год после заполнения в ВО стал преобладать набор видов, присущих пресной ертисской воде. В перспективе сходство альгофлоры в обоих водохранилищах будет возрастать. В целом альгофлора ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. была представлена 179 таксонами. По флористическому разнообразию главная роль принадлежала диатомовым водорослям (40% от общего числа видов). Зеленые водоросли также являлись насыщенной группой и составляли треть видового разнообразия, синезеленые занимали шестую часть общего списка. Средняя биомасса по водоему – 2,05 г/м³, что несколько выше среднемноголетней для оз. Шандаксор, но ниже, чем в ВО ЭГРЭС – 1 в первый год после затопления.

В конце сентября при низких температурах воды фитопланктон еще разнообразен (151 вид), но количественно беден. Численность водорослей составляет 1292 млн. кл./м³, биомасса 0,335 г/м³. Это свидетельствует о том, что и здесь, в искусственных водоемах, летом большая часть водорослей уничтожается прямыми солнечными лучами. Однако данный вопрос требует специальных исследований.

В целом фитопланктон первого года наполнения имеет более высокие показатели, чем в исходном водоеме, что характерно для водохранилищ и связано с обильным поступлением органического вещества со вновь заливаемых территорий. По показателям биомассы фитопланктона в 1989 г. исследуемый водоем ЭГРЭС-2 характеризуется как среднекормный.

Влияние подогрева воды на интенсивность фотосинтеза фитопланктона изучали многие авторы [74-77] в сбросных водах ГРЭС гумидных областей, но вопрос о зависимости фотосинтеза от температуры до сих пор окончательно не выяснен, особенно в водоемах-охладителях аридных зон.

В условиях ВО ЭГРЭС-1 интенсивность фотосинтеза в вегетационный период колебалась от 0,21 до 2,39 гО₂/м³, деструкция органического вещества – от 0,06 до 1,8 гО₂/м³ [72]. В межгодовом аспекте происходит увеличение количественных показателей валовой и чистой продукции, что говорит об евтрофировании водохранилища. На процесс евтрофикации указывают и большие величины чистой первичной продукции, которая недоиспользуется потребителями фитопланктона и накапливается в водоеме. Это может иметь отрицательные последствия, выражающиеся в понижении самоочистительной способности водоема и способствовать его вторичному загрязнению.

В течение всего периода становления водохранилища ЭГРЭС-1 продукционные процессы преобладали над деструкционными, что говорит о преобладании в толще воды автохтонного ОВ. В первый год после заполнения относительные величины деструкции были довольно высоки, так как в деструкционных процессах участвовало большое количество аллохтонной органики, поступившей с залитых территорий. Максимум фотосинтеза в большинстве случаев наблюдался в поверхностном слое, лишь иногда смещаясь на глубину 0,5-1,0 м. В нижележащих слоях воды интенсивность фотосинтеза составляла лишь десятые доли от поверхностного, и на глубине, утроенной прозрачности, фотосинтез отсутствовал.

В первый год после наполнения ВО ЭГРЭС-1 макрофиты не развивались. Ко второму году на мокрой прибрежной полосе и на мелководьях, благодаря обилию зачатков, развились ценозы рогоза и редкие небольшие куртины тростника, камыша и осоки. Мягкая водная растительность отсутствовала. К третьему году в водохранилище уже вполне сложились сообщества макрофитов, представленные двумя экологическими группировками: гелофитами (10 видов) и гидрофитами (8 видов).

В 1981 г. водохранилище зарастало очень слабо и неравномерно, растительность покрывала не более 15 % его площади. В последующие годы состав макрофитов пополнился новыми видами, а к настоящему времени макрофиты занимают площадь 450,3 га.

Значение зоопланктонных организмов в воде ВО ЭГРЭС – 1 велико, так как они здесь производят биологическую очистку воды от органических примесей (водорослей и микроорганизмов), которые способны оседать на стенках трубок конденсаторов, уменьшая их сечение и снижая теплоотдачу. Кроме того, они составляют основную часть кормовой базы для молоди рыб, обитающих в водоеме-охладителе. В зоопланктоне на протяжении 5 лет исследований зарегистрировано 110 видов и разновидностей, сезонная динамика которых выражена отчетливо.

В межгодовом аспекте отмечается нарастание численности и биомассы зоопланктона от 1980 к 1982 гг., затем численность организмов остается высокой, а показатели биомассы уменьшаются почти в два раза. Это объясняется тем, что в летний период 1982 г. подогрев воды и объем сбрасываемых теплых вод был ещё невелик. Существенную долю в планктоне составляли крупные ветвистоусые рачки – дафнии, которые в последующие годы при перегреве воды утратили свое значение. Кроме отрицательного действия теплового фактора эта группа организмов в последние годы испытывает сильный стресс со стороны молоди рыб, обитающих в водохранилище.

Следует отметить, что при существующем режиме работы ГРЭС подогрев воды угнетающе действует на зоопланктон только в зоне сброса горячей воды, в целом же по водоему до 1985 г. происходило нарастание количественных показателей за счет удлинения вегетационного сезона и повышения темпа размножения животных. Воздействие дополнительного тепла особенно ярко проявляется при сопоставлении данных по зоопланктону в ВО ЭГРЭС-1 и близрасположенном ЭРВ, имеющем сходную морфометрию, минерализацию, состав ихтиофауны и тот же источник питания. Плотность организмов в ВО почти в 15, а биомасса в 10 раз превосходят количественные показатели аналогичного водоема, в котором отсутствует тепловой фактор. В настоящее время по величинам биомассы ВО ЭГРЭС-1 превосходит водохранилища КЕК, где средняя биомасса в летний период составляет 0,31-2,3 г, но в дальнейшем при постоянном поступлении в водоем воды с температурой до 35⁰С может произойти падение продуктивности зоопланктона.

К настоящему времени в ВО ЭГРЭС-1 сформировалось три основных биотопа: черный ил, занявший обширную часть акватории от трехметровой изобаты до максимальных глубин; заиленный песок в зоне литорали; заросли высшей водной растительности. Почти на всем побережье четвертый биотоп в основном безжизненный: это железобетонные плиты, расположенные в месте сброса подогретых вод.

При заполнении водохранилища бентофауна была качественно бедна и представлена лишь 19 видами и формами беспозвоночных. В течение всего периода наблюдений, независимо от сезона и термальных зон, руководящую роль в макрозообентосе играют личинки хирономид. Отмечено нарастание их численности от весны к осени. Несмотря на относительно высокую температуру воды (в отдельные дни до 35⁰С) специфичных термофильных форм зообентоса не выявлено. В зоне сброса термальных вод бентофауна угнетена, и численность бентоса не превышает 220 экз/м². По мере удаления от этой зоны увеличивается видовой состав и возрастает численность бионтов. Можно предполагать, что при стабильной работе всех энергоблоков и увеличении объема сбрасываемой подогретой воды граница влияния термальных вод расширится, что вызовет дальнейшие изменения в биоценозах дна.

Формирование ихтиофауны ВО ЭГРЭС-1 происходит за счет видов, проникших из канала и вселения рыб в целях акклиматизации. В первые годы ведущее место в уловах занимали елец и плотва (58 и 18 %), высока была численность ерша (14,2 %), остальные рыбы составляли в уловах 1-4,5 %. В результате воздействия термальных вод и изменения экологической обстановки в водоеме сроки нереста рыбного стада передвигаются на более ранний период, на 0,5-1,0 месяца раньше, чем в водохранилищах канала ЕртисКараганда.

На основании многолетних гидробиологических исследований авторы [7072] пришли к выводу о том, что химический режим воды ВО ЭГРЭС-1 благоприятен для целей рыборазведения. Однако необходимо сделать водохранилище проточным в силу следующих причин. Формирование водных, донных биоценозов и ихтиофауны ещё не закончилось и протекает под воздействием дополнительного тепла, поступающего с ГРЭС; тепловой фактор благоприятно влиял на развитие всех групп организмов до тех пор, пока температура воды в отепляемой зоне не превышала 28-30⁰С. При стабилизации работы ГРЭС подъем температуры в летний период выше 30⁰С приводил к уменьшению видового разнообразия, численности и продуктивности водных сообществ. Совмещенная схема водозабора в таком мелководном водохранилище, как ВО ЭГРЭС-1, даже при неполной нагрузке не обеспечивает нормального охлаждения сбрасываемой воды, что подтверждается состоянием биоценозов, и нуждается в реконструкции. В 1984 г. перегрев воды (3,3⁰С) превышал санитарную норму для ВО комплексного назначения. Необходимо провести вселение растительноядных рыб для утилизации больших запасов фитопланктона и ограничения зарослей растительности, которые уже сейчас являются существенными биологическими помехами, а в дальнейшем будут значительно снижать эффективность работы станции. Вселение рекомендуется производить двулетками из расчета не менее 100 шт./га, так как в водоеме имеется сильный пресс хищников.

Сезонными наблюдениями в зоопланктоне ВО ЭГРЭС – 2 в 1989 г. выявлено 50 видов и разновидностей. В период максимальных летних температур самые высокие показатели биомассы характерны для центральной части этого водоема, самые низкие – для южной части. По показателям биомассы зоопланктона и видовому составу ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. можно отнести к водоемам с кормностью выше средней.

Проведенный авторами [73] анализ фаунистического сходства зоопланктона четырех изученных водоемов – ВО ЭГРЭС-1,2, оз. Шандаксор и КЕК – 1 (по данным за 1980 г.) показал, что наиболее высокий процент видового сходства выявлен для первых двух водоемов – 40,3%, коэффициент общности видового состава К_с в этом случае равен 0,57. В то же время очень велико влияние фаунистических комплексов канала на формирование зоопланктофауны водохранилища ЭГРЭС-2, фаунистическое сходство в этом случае составляет 37,9% и коэффициент = 0,55. В перспективе под воздействием теплового фактора и при стабилизации солености воды будет возрастать фаунистическое сходство между обоими ВО Э ГРЭС -1, 2.