Современная методология изучения озер и водохранилищ

В основу изучения гидроэкологического режима водоёмов суши в России положено сочетание стационарных регулярных наблюдений региональными подразделениями Росгидромета и преимущественно экспедиционных исследований ряда научных учреждений Российской академии наук (РАН), университетов и рыбохозяйственных организаций.

Стационарные гидрометеорологические наблюдения ведутся на озёрных водомерных постах ежесуточно и периодически на рейдовых вертикалях: измерения гидрофизических характеристик от поверхности водоёма до дна сопровождаются отбором проб для анализа мутности, химического состава и других показателей качества воды. В период ледостава ежедекадно проводятся снегомерные и ледомерные наблюдения. На ряде водохранилищ выполняются ежегодные инженерно-геологические наблюдения за переработкой размываемых участков берега, формированием береговой отмели и других форм рельефа мелководий, а также гидрологические наблюдения проектными институтами на вновь созданных водохранилищах с целью оценки оправдываемости прогнозов, использованных в проекте, и дальнейшего совершенствования проектных разработок.

Экспедиционные исследования (гидрометеорологические, гидрохимические, гидробиологические, ихтиологические) проводятся с научно-исследовательских судов обычно в виде съемки акватории водоема по заранее спланированной сетке станций вертикального зондирования водной толщи или разрезов, сопровождающегося отбором проб воды. Иногда организуются комплексные съемки (гидроэкологические) водоёма или его отдельного района, в которых, кроме гидролого-гидрохимических наблюдений, проводятся еще и гидробиологические наблюдения. Съемки водоёма позволяют выявить пространственную структуру его экосистемы и её изменение в промежуток времени между одной гидрологической или комплексной съемкой водоёма и аналогичной другой съёмкой в иную фазу внутригодового режима или при иной синоптической ситуации.

Реже проводятся экспедиционные работы, направленные на исследование ансамбля внутриводоёмных процессов. Одни из них ведутся на многосуточной станции с учащенными наблюдениями (с часовыми интервалами между зондированием водной толщи). Ещё реже удается организовать с этой целью комплексные исследования на полигоне, состоящем из сгущённой сетки станций в том или ином участке акватории водоёма. Особый вид экспедиционных исследований — грунтовые съемки, сопровождающиеся определением толщины слоя донных отложений и отбором проб грунта для определения его физических свойств, химического состава, а иногда и состава бентоса, проводящиеся раз в десятилетие и реже.

Результаты стационарных наблюдений и экспедиционных исследований водоёма накапливаются в гидроэкологическом банке данных и используются для изучения взаимосвязи изменчивости количественных характеристик отдельных компонентов экосистемы или их комбинаций с другими абиотическими или биотическими характеристиками. Это требуется для того, чтобы выявить закономерности процессов взаимосвязи между компонентами экосистемы и получить количественные оценки, характеризующие функционирование биоты в различные фазы гидрометеорологического режима водной среды, при изменении погодных условий, режима стока речных водных масс в водоём и их трансформации в озере или в водохранилище.

Такие обобщения способствуют развитию теоретической лимнологии и используются для разработки алгоритма разнообразных математических моделей водоёма, описывающих отдельные внутри водоёмные процессы, тепломассообмен водоёма с атмосферой и донными грунтами, трансформацию водоёмом речного стока. Модель, по алгоритму которой производятся компьютерные расчеты, должна пройти верификацию, т. е. результаты выполненных по ней расчетов важно сопоставить с данными проведенных ранее соответствующих наблюдений и получить качественную (и, желательно, количественную) оценку погрешности моделирования процессов и режима характеристик гидроэкологического состояния водоёма или его изменения за расчетный период. Если ошибки признаются допустимыми, модель может использоваться для водоёмов того или иного класса после ее адаптации к конкретному водному объекту. Адаптация модели включает введение в нее параметров моделируемого водоёма, необходимой информации местных пунктов стационарных наблюдений сети Росгидромета и совокупности характеристик гидроэкологического состояния экосистемы водоема (по данным наблюдений), исходное в начальный момент расчетного периода. Лишь верифицированная и адаптированная модель водоёма может использоваться для диагностических и прогностических лимнологических расчетов.

Диагноз режима водоёма представляет собой воспроизведение модельным расчетом развития разнообразных внутиводоёмных процессов в течение расчетного периода с заданным интервалом (суточным или даже часовым). Это, по сути, — физически и экологически обоснованная нелинейная интерполяция пространственно-временных колебаний всей совокупности включенных в модель характеристик состояния экосистемы между двумя или несколькими гидроэкологическими съёмками водоёма или зондированиями водной толщи на рейдовой вертикали. Результаты диагноза позволяют:

• 1) получить значения характеристик, измерение которых затруднительно организовать или даже невозможно по техническим причинам, например, в штормовую погоду, в периоды несплошного и ненадёжного ледового покрова;
• 2) существенно уточнить вычисление осреднённых значений лимнологических характеристик за любой промежуток времени: составляющих водного, теплового и солевого балансов водоёма или его частей, баланса других растворенных и взвешенных в воде веществ для определения количественных показателей темпа накопления в водоёме биологических и минеральных ресурсов;
• 3) сформулировать новые задачи по улучшению методов наблюдений при научных исследованиях и мониторинге гидроэкологического состояния водоёма с одновременным сокращением числа стандартных наблюдений (т. е. ежегодно проводимых) на рейдовых станциях и в экспедиционных съемках водоёма ради постановки целенаправленных исследований наименее изученных процессов, выявленных при верификации модельных расчетов на данном водоёме.

Прогностические расчеты по моделям выполняются:

• 1) для оценки вероятного изменения функционирования экосистемы или изменения наблюдаемых колебаний отдельных лимнологических характеристик при различных сценариях изменения климата, хозяйственного освоения берегов, акватории и водосбора водоёма, при разработке рекомендаций по увеличению устойчивости экосистемы к новым антропогенным нагрузкам либо при выборе и обосновании оптимальных водоохранных мероприятий для снижения имеющейся нагрузки;
• 2) для оценки гидроэкологического режима проектируемого водохранилища и отдельных его районов (участков) в годы различной водности на основе проектного водохозяйственного баланса водоёма. Такую оценку нередко называют лимнологическим локальным прогнозом режима водохранилища, в отличие от «фонового прогноза», в котором характеристики гидроэкологического состояния ранее приводились в виде средних значений для всей акватории в средневодный год или для его сезонов;
• 3) для разработки прогнозов предстоящего изменения гидроэкологического состояния водоёма на основе климатических моделей и модельных расчетов притока водных масс с водосбора. Совершенствование метеорологических и лимнологических модельных расчетов позволит перейти к оперативным прогнозам, ежедневно уточняемым для оптимизации управления водным режимом и качеством воды в водохранилищах — источниках централизованного водоснабжения, для водного транспортак прогнозам волнения в предстоящую штормовую погоду, сроков замерзания и вскрытия отдельных районов и всего водоёма в целом.

В экспедиционных исследованиях водоёмов суши в прошедший полувековой период гидрологи начали широко использовать электронные приборы для зондирования водной толщи на станциях и при выполнении разрезов в гидролого-гидрохимических съёмках — это практически непрерывная регистрации характеристик in situ (т. е. в водоёме) по вертикали либо по маршруту судна. Значения температуры и электропроводности воды регистрируются термокондуктометрами, температура и содержание кислорода в воде — оксиметрами. По электропроводности с учётом температуры воды рассчитываются минерализация и плотность воды. В этот же период многие водомерные посты были оборудованы самописцами уровня воды, начали применяться волномерные установки и АБС (автономные буйковые станции) с автоматической регистрацией высоты и периода ветровых волн, скорости и направления течений, эхолоты, судовые автоматические метеостанции. Получил широкое распространение кислородный метод определения среднесуточной интенсивности продукционно-деструкционных процессов на различных горизонтах водной толщи. В последние два десятилетия стал повсеместно применяться на водоёмах метод спутникового географического позиционирования (GPS) станций и разрезов.

Перечисленные современные методы лимнологических полевых исследований в сочетании с разнообразными компьютерными программами статистической и картографической обработки больших массивов информации вывели лимнологию, как и океанологию, на качественно новый уровень познания процессов пространственно-временной изменчивости внутриводоемных процессов, их теснейшей взаимосвязи с термодинамикой приводного слоя тропосферы. Кроме этих, наиболее распространенных видов исследований, делаются многочисленные попытки использовать аэрокосмические методы для изучения гидроэкологического режима озёр и водохранилищ и их экологического мониторинга.