Комплексное моделирование объектов биосферного резервата (на примере озерных систем Валдайского национального парка)

Валдайский национальный парк, расположенный в Новгородской области между Москвой и Санкт-Петербургом, является уникальной охраняемой природной территорией. Своеобразный микроклимат и рекреационные особенности привлекают к нему тысячи туристов. Здесь расположен один из наиболее почитаемых у православных верующих Иверский монастырь, основанный еще патриархом Никоном. Его посещают сотни паломников со всего света. Этнокультурные памятники на территории парка насчитывают сотни и тысячи лет.

Одновременно Валдайский национальный парк выполняет функции биосферного резервата. Он регенерирует атмосферный воздух и снабжает чистыми водами большие сопредельные пространства, сохраняет редкие виды флоры и фауны. На его основе проводится мониторинг состояния окружающей среды, организуются исследования по многочисленным отечественным и международным научным программам.

В соответствии с концепцией биосферного резервата^[1] национальный парк должен быть способен выполнять три взаимодополняющих функции:

• • сохранения и контроля состояния биоразнообразия на всех уровнях его проявления (генетические ресурсы, разнообразие видов, экосистем, ландшафтов);
• • развития территории и содействия устойчивому развитию прилегающих районов;
• • научно-технического обеспечения для поддержки демонстрационных проектов, мониторинга состояния окружающей среды, экологического образования, экотуризма и пр.

Всем перечисленным требованиям Валдайский национальный парк, безусловно, удовлетворяет. В этой местности сосредоточены удивительные озера и малые реки, не имеющие себе равных по красоте. Помимо рекреационных целей они используются для питьевого водоснабжения коренного населения, гостей края и сопредельных областей.

Известно, что озерные системы относятся к сложным элементам гидросферы¹. Их функционирование обусловлено совокупностью разнообразных природных и техногенных факторов (климатических, географических, ландшафтных, гидрологических, геолого-структурных, гидрогеологических, антропогенных и др.). Они участвуют в формировании водного баланса, определяют интенсивность водообмена, а также создают особенности гидрохимического режима озерных вод и геохимических свойств донных отложений.

В гумидной зоне европейской России располагается огромное количество озерных систем различного генезиса. Наибольшее распространение получили озерные системы моренного типа, сформированные в котловинах ледникового происхождения.

Под влиянием антропогенных факторов на геохимию открытых водотоков возрастает влияние других генетических типов природных вод. Особенно уязвимыми они становятся в условиях многолетнего воздействия рассредоточенных и локальных источников загрязнения. Изменение качества поверхностных вод и загрязнение донных отложений стало одной из актуальных экологических проблем в различных регионах мира.

Добытые из земных недр и обогащенные в технологических циклах многие элементы в окружающей среде приобретают токсичные свойства^[2][3]. Так, металлы привносятся в среду обитания человека в составе стоков и выбросов различных производств, из отвалов пород, диффузных источников, выщелачиваются кислотными осадками. Это хорошо видно на примере анализа динамики кривых роста мирового производства металлов и поступления их в окружающую среду в течение XX в. (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Мировое производство, тыс. т за 10 лет (а) и глобальное поступление в окружающую среду Си, Pb, Ni, Zn за период 1901—2000 гг. (б):

1 — Си; 2 — Zn; 3 — Pb; 4 — Ni.

В последние десятилетия в Европейских странах и в России наметилась позитивная тенденция снижения выбросов и поступления металлов в окружающую среду. Однако антропогенные выбросы пока еще превалируют над естественной эмиссией (рис. 8.8).

Уже установлено, что состояние донных отложений озер отражает степень антропогенного воздействия на водосборы, примыкающие к акваториям озерных котловин. При масштабном закислении атмосферных осадков наблюдается особенно быстрое изменение геохимии озерных систем в ряде районов мира. Явными признаками проявления таких процессов являются весьма низкие величины нейтрализующей емкости озерных вод (ANC) и даже их отрицательные величины. Показатель ANC характеризует степень изменения баланса эквивалентов анионов и катионов в анализируемой воде и определяется по концентрациям основных макроэлементов (Са²⁺, Mg²⁺, SOf", Na⁺, К⁺, NO3). Отрицательные значения данного параметра указывают на проявление процессов закисления не только в озерных водах, но и на примыкающих водосборах. Усиление выщелачивания в водовмещающих породах на водосборе отражалось на состоянии донных отложений: за счет интенсификации этих процессов в водовмещающих породах повышаются концентрации ряда токсичных элементов (Al³⁺, Pb, Zn, Си, Ni и др.).

В различных регионах РФ, как и в странах западной Европы, отмечается повсеместное изменение свойств озерных систем. Например, в районе Кольского полуострова почти 64% водоемов находятся почти в критическом состоянии. Изучение состояния озер в Ярославской и Вологодской областях также выявило региональное изменение свойств озерных вод. Из многочисленных исследований следует, что ухудшение качества озерных вод проявляется, с одной стороны, в уменьшении концентраций ряда химических ингредиентов (pH, НСО3, Са²⁺ и пр.), а с другой — в значительном увеличении концентраций SO| .

На основе перечисленных научных фактов представляется весьма актуальным исследование особенностей техногенной трансформации озерных систем, включая территорию Валдайского национального парка — одного из важнейших биологических резерватов. Его озера имеют различные морфологические и морфометрические свойства, интенсивность водообмена и объемы аккумулированной воды. Необходимость изучения их гидрогеохимических свойств обосновывается также тем, что озерные воды являются одной из основных водно-балансовых составляющих эксплуатируемых водоносных горизонтов. Поэтому снижение качества озерных вод и загрязнение донных отложений может способствовать активизации нежелательных процессов — ухудшению питьевых свойств, нарушению рекреационных возможностей региона, уменьшению его туристической привлекательности. Все вместе может негативно отразиться на социально-экономических условиях региона.

Исследования выполнялись для нескольких озерных систем Валдайской возвышенности (Борое, Долгое, Брезгово, Короцкое, Ужин и Валдайское) в течение 1987—2007 гг.^[4]

Рис. 8.8. Тенденция снижения эмиссии и выпадений свинца, кадмия и ртути в окружающую среду в Европе в период 1990—2001 гг.:

1 — общая эмиссия; 2 — антропогенная эмиссия; 3 — выпадение Валдайская возвышенность расположена в зоне смешанных лесов и характеризуется чередованием холмов и сильно заболоченных водосборов. Переувлажнение территории обусловлено в первую очередь атмосферными осадками. В отдельные годы их количество превышает 700—800 мм. Четвертичные отложения сплошным чехлом покрывают размытую поверхность пород палеозойского возраста, представленных закарстованными известняками и доломитами.

На рис. 8.9 приводятся схема расположения изучаемых озер и некоторые их характеристики. Схема показывает, что все озера приурочены к различным гипсометрическим отметкам (от 218 до 178 м). Рассматриваемые озера обладают различными глубинами, площадями зеркала 5_зерк и водосбора С_водосй (табл. 8.2).

Среди изучаемых озер Валдайское имеет самые большие площадь зеркала, глубину и аккумулированные объемы воды. Для него характерно и наибольшее время водообмена (около 10 лет).

Таблица 8.2

Гидрологические характеристики озер Валдайской возвышенности.

Из приведенных данных следует, что наименьшее значение величины *$зе_рк/^водосб У ^озсР^а Валдайское, а наибольшее — у Брезгово. Эти сведения указывают на значительную роль площади водосбора в формировании гидрогеохимических показателей озерных систем. Таким образом, значительная урбанизация водосбора Валдайского озера заметно ухудшает качество воды и показатели загрязнения донных отложений.

Обобщение многолетних гидрохимических наблюдений, полученных различными организациями и ведомствами (Валдайский филиал Государственного гидрологического института (ГГИ), Институт удобрений и растениеводства им. Прянишникова и др.) за период с 1958 по 2005 г., показало, что озерные воды характеризуются небольшой величиной минерализации (от 95 до 195 мг/л). Они содержат небольшие концентрации НС0₃" (39—120 мг/л), Са²⁺ (14—34 мг/л), Mg²⁺ (4—9,1 мг/л). Установлено также, что в озере Валдайское в период 1951—2005 гг. концентрации SO|" возросли от 5,7—6,1 до 23—27 мг/л, хотя значения pH изменяются от 7,7 (в летний период времени) до 7,12 (в зимний период времени). Более низкие значения pH отмечаются в придонном слое (6,32−6,74).

Для естественных условий по доминирующим ионам состав озерных вод характеризовался НС0₃ — Са типом. С загрязнением озер отмечалось постоянное увеличение концентраций отдельных химических элементов (SOf~, Na (+), С1(-)). Поэтому стали появляться воды НС0₃ — Na и даже до S0₄ — Na типов.

Выполненные исследования показали, что гидрохимический состав озерных вод весьма существенно связан с гидрологическим режимом озер, а также с геохимическими процессами на водосбоpax озер. При этом установлена значимая роль разгрузки подземных вод в формировании гидрохимии озерных систем, что говорит о хорошей гидравлической связи поверхностных и подземных вод.

Рис. 8.9. Озера Валдайского региона (а) и их гипсометрическое расположение в геологическом разрезе (6):

1 — станции отбора проб воды и донных отложений. Литология водовмещающих пород: 2 — глинистые отложения; 3 — песчаноглинистые слои; 4 — карбонатные породы Наибольшие величины минерализации воды и концентрации отдельных химических элементов характерны для зимнего периода времени. В гидрохимическом составе озерных вод наблюдается четкая стратификация по глубине в изменении щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, включая концентрации отдельных ингредиентов. Во всех озерах отмечалось уменьшение pH (от слабощелочных до слабокислых условий) и увеличение концентраций ряда микроэлементов (Са²⁺, Mg²⁺, SOf", Na (+) и др.). С глубиной отбора проб заметно возрастала электропроводность воды и ее цветность. Этот эффект для многих озер связан с разгрузкой подземных вод, а также притоком поверхностных вод различного генезиса (речных и болотных). Поэтому при изучении гидрохимии озер пробы воды отбирались у дна и с поверхности.

В табл. 8.3 приводятся значения величины нейтрализующей емкости для рассмотренных озерных систем, а в табл. 8.4 — результаты термодинамического моделирования, характеризующие степень влияния щелочно-кислотных условий на усиление выщелачивания основных породообразующих минералов палеозойских отложений, в которые врезаются ложа некоторых озер.

Таблица 83

Значения величины нейтрализующей емкости (ANC) для озерных систем Валдая.

Формирование агрессивных озерных вод может негативно сказаться на активизации карстовых процессов в карбонатных породах, из которых производится хозяйственный водоотбор. В изучаемом районе многие озера имеют хорошую гидравлическую связь с подземными водами.

Из приведенных данных видно, что наибольшие концентрации SOf" характерны для небольших озер (Борое, Короцкое и Брезгово). При этом в озере Борое озерные воды по своему составу относились к S0₄ — Na типу, тогда как в остальных озерах по доминирующим ионам тип вод соответствовал НСО_э — Na типу.

Нами установлено, что нарушение условий гидрохимического равновесия связано не только с увеличением концентраций SOf" и ионов Н+ в озерных водах. Для озер, в меньшей степени связанных с атмосферным питанием (Короцкое и Брезгово), несмотря на увеличение концентраций SOf" в озерных водах не отмечается существенного увеличения ионов Н (+) и уменьшения коэффициентов насыщения по кальциту и доломиту.

Таблица 8.4

Значения коэффициентов насыщения (5_к^_1ЬЦИТа и 5_{доломита}) для валдайских озер

Изучение динамики изменения гидрохимических равновесий указывает на дальнейшее уменьшение коэффициентов насыщения во времени. Особенно явно смещение динамического равновесия озерных вод наблюдается на границе вода-дно, что свидетельствует об аккумуляции различных токсикантов и степени загрязнения подземных вод, поступающих с водосборов. Аналогичные тенденции были установлены в озерных водах Валдайской возвышенности в Новгородской области. Поэтому для рассматриваемых озер изучались детально донные отложения и механизм их загрязнения.

Отбор донных отложений осуществлялся сотрудником Валдайского филиала ГГИ И. В. Недогарко по схеме рис. 8.9, а. Пробы отбирались для всех станций с дискретностью по вертикали 2—3 см. В изучаемых озерных системах мощность донных отложений изменялась от 51—53 до 665 см. Наибольшая мощность донных отложений была отмечена в Валдайском озере. Определения выполнялись на рентгепофлюоресцентном приборе ОРТЭК-ТЭФА-611. В пробах анализировался валовый состав донных отложений (Si0₂, А1₂0₃, Fe₂0₃, CaO, MgO, МпО, РЬ и Zn).

Сопоставление полученных данных для верхних слоев донных отложений (0—3 см) с количественными оценками для нижних слоев (3—100 см) показало, что антропогенное воздействие проявилось в более высоких концентрациях Mn, Fe, РЬ и Zn.

В табл. 8.5 приводятся концентрации РЬ и Zn, характеризующие распределение и аккумуляцию токсикантов в верхней и нижней зонах донных отложений некоторых озер. Из анализа этих данных видно, что загрязнение донных отложений в наибольшей степени проявляется по Zn. При этом наиболее динамичная аккумуляция токсикантов отмечалась для озера Борое, находящегося на самых высоких гипсометрических отметках.

Коцентрации Pb и Zn в верхней и нижней частях донных отложений.

Таблица 85

Обобщение данных, характеризующих вертикальное распределение токсикантов, указывает на убывание их концентраций по мере увеличения мощности отложений. Вполне очевидно, что в наблюдаемых условиях поток примесей направлен в подстилающие горизонты озер. Кроме того, выявлен многослойный характер распределения токсикантов в донных отложениях озерных систем.

Были проанализированы имеющиеся сведения о миграции и аккумуляции Zn и Pb в придонной области реального водного объекта — Усадьевского залива озера Валдайское. Для изучения гидрофизических параметров распространения загрязняющих веществ в системе «атмосфера — водоток — донные отложения» сформулирована математическая модель, описывающая динамику взвешенных частиц по вертикали с помощью следующего уравнения переноса:

где с — концентрация Zn или Pb (ppm); z — координата (см), причем 2 = 0 находится на границе вода — донные отложения и ось 2 направлена вверх; t — время (год); D — коэффициент диффузионной дисперсии (см²/г).

Описание процессов распространения примесей выполнялось для реального масштаба времени, соответствующего техногенному загрязнению донных осадков Zn и Pb за 10 лет, т. е. на момент получения экспериментальных данных. Для оценки параметров дисперсии в донных отложениях частиц цинка и свинца используется известное одномерное (-°° < г < + °°) распределение концентрации от мгновенного источника вещества массой М, помещенного в точке 2 = 0.

Решение уравнения переноса имеет вид:

где R² — параметр, характеризующий радиус влияния и имеющий размерность (см²).

Сформулированная задача удовлетворяет граничному условию с = 0; z —> +°° и начальному условию, заданному по соответствующему уровню загрязненности гидросферы.

С помощью решения уравнения переноса были построены теоретические кривые, аппроксимирующие распределения Zn и РЬ в донных отложениях озера. При этом подбирались значения Л², обеспечивающие наилучшее приближение теоретических кривых к реальным значениям концентраций техногенных примесей, путем численных экспериментов.

На рис. 8.10, а, 6 приводятся результаты расчетов, характеризующие условия миграции примесей цинка и свинца в донных отложениях озера Валдайское.

Наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных значений получено для цинка при R² = 270 см² и для свинца при R²= 110 см². С помощью найденных параметров миграции примесей впервые выполнена количественная оценка коэффициента диффузионной дисперсии в придонной области водоема для района Валдайского национального парка. Рассчитанное значение коэффициента D = 3 • 10^_6 см²/с.

Учитывая аккумулирующую способность донных отложений к ряду токсикантов, отметим важность полученных результатов для изучения фрагментарного загрязнения подземных вод при их гидравлической связи с норовыми водами донных отложений озерных систем. При неблагоприятных условиях поступления техногенных элементов увеличивается вероятность локального загрязнения подземных вод за счет проникновения токсикантов в эксплуатируемые водоносные горизонты. В дальнейших исследованиях предполагается изучить условия миграции техногенных примесей с учетом процессов химической кинетики.

Представляют научный и практический интерес особенности миграции и аккумуляции ВВ в слоистой толще донных отложений, находящихся на непроницаемом основании. Так, при более детальном изучении вертикальных профилей значений концентраций Zn и РЬ в донных отложениях отмечается выраженный двухслойный характер их распределения; граница слоев находится на глубине.

2−12 см.

Рис. 8.10. Расчетные кривые распределения в донных отложениях концентраций цинка (а) и свинца (б).

точками обозначены экспериментальные значения Распределение коэффициента дисперсии ВВ по глубине в двухслойной толще донных отложений представлено кусочно-постоянной функцией:

где L_x — мощность верхнего слоя донных отложений; 1₂ ^— общая мощность толщи донных отложений.

При переменном по глубине коэффициенте дисперсии D (z) уравнение переноса ВВ в донных отложениях водоема записывается как с соответствующими граничными условиями в контактных зонах: вода — донные отложения {г = 0), q = 205 ppm/см (Zn) и q = 70 ppm/см (Pb); донные отложения — непроницаемое основание (z — Ь₂), q = 0, где q — вертикальный поток примеси.

В качестве начальных условий принимается t = 0 и с = 0, что соответствует 1950;м гг. (поступление техногенных примесей невелико).

Аппроксимируем распределение коэффициента дисперсии аналитическим выражением с непрерывным распределением D (z) и его производной dD/dz:

где

Решения уравнения переноса, выполненные для значений параметров D_{ = 10 см²/г.; D₂ = 100 см²/г.; L—12 см; Ь₂ = -50 см приводятся на рис. 8.11, а, б для цинка и свинца соответственно.

Расчеты проведены для временного периода в 100 лет (1970— 2070 гг.) с промежуточными интервалами около 30 лет.

Рис. 8.11. Расчет концентрации цинка (а) и свинца (б) в донных отложениях неоднородной структуры для моментов времени:

У — 1970 г.; 2 — 2005 г.; 3 — 2040 г.; 4 — 2070 г.

Из представленных результатов расчетов видно, что при существующем уровне поступления техногенных примесей происходит заметный рост концентрации ВВ в донных отложениях с течением времени. Другими словами, отмечается постепенное накопление ВВ, которое впоследствии может вызвать недопустимое вторичное загрязнение водоема.

В итоге, с помощью комплексного моделирования природных объектов Валдайского национального парка выполнена количественная оценка экологических показателей путем аппроксимации экспериментальных данных теоретическими зависимостями и решения термои гидродинамических задач. Проанализированы явления миграции некоторых токсикантов в объектах гидросферы с течением времени.

Учитывая, что территория Валдайского национального парка является одним из важнейших биосферных резерватов северозапада РФ с исключительными рекреационными возможностями и этнокультурными достопримечательностями, полученные прогностические оценки аккумуляции загрязняющих веществ могут быть востребованными при разработке мероприятий по гуманизации социально-экономической деятельности.

Для экополитических исследований существенным является установленный механизм накопления примесей в донных отложсниях и грунтовых водах. Рассмотренные токсиканты в основном попадают в озерные системы Валдайской возвышенности из атмосферы, где преобладает перенос воздушных масс из районов Западной Европы.

• [1] Тишков Л. Л. у Белоновская Е. А. Вклад биосферных резерватов в сохранениебиологического и этнокультурного разнообразия и устойчивое развитие регионов // Экологическое планирование. 2008. № 2 (7). М.: Наука, 2008. С. 26—37.
• [2] Филатов И. Н., Меншуткин В. В. Разработка экспертной системы «ОзераКарелии» // Материалы Всеросс. конф. «Стратегические проблемы водопользования России». Ростов; М., 2008. С. 53—64.
• [3] Моисеенко Т. И. Антропогенно-индуцированные процессы в биосфере //Вестник Российской Академии наук. Т. 81. № 12. М.: Наука, 2011. С. 1100—1108.
• [4] Путырский В. Е., Злобина В. Л. Техногенная трансформация озерных системВалдайского региона // Водное хозяйство России. 2010. № 5. Екатеринбург, 2010.С. 70−80.