Режим взвешенных веществ в водоемах и их заиление

Закономерное изменение в течение годового гидрологического цикла содержания взвешенных веществ в озере и водохранилище определятся сочетанием трех процессов:

• • стока взвесей с водосбора;
• • изменениями динамики водных масс в водоеме;
• • изменениями биологической продуктивности экосистемы при сменах погоды.

В половодье с водосбора в водоём приносится наибольшая масса взвешенных веществ (70−90 % годового стока наносов) потому, что в него поступает объём воды, составляющий обычно более половины годового стока рек. В фазу подъёма половодья наблюдаются максимальные концентрации взвешенных веществ в речной воде.

Наиболее крупные фракции речных наносов осаждаются в приустьевых заливах водоёмов, формируя мели и даже дельты (волжская и терская — в Каспии, илийская — в Балхаше, селенгинская — в Байкале и др.).

В пелагиали крупнейших озер содержание взвеси составляет менее 10 мг/л.

Например, в Ладожском озере в теплоактивной области (ТАО) мутность воды составляет 2−4 мг/л, а се прозрачность (SD) — 2−3 м. Взвесь распространяется геострофическим течением вдоль восточного побережья на север. А в центре и северо-западной части озера (в ТИО) содержание взвеси менее 0,5 мг/л при SD = 4 м и более¹.

В поверхностном слое Онежского озера" концентрация взвешенных веществ менее 2 мг/л (при SD = 4−5 м) и лишь в приустьевых заливах она увеличивается до 5 мг/л.

С повышением в водоёме температуры воды улучшаются условия для седиментации взвешенных веществ в штилевые периоды. В водоёмах умеренных широт Северного полушария в июне обычно возникает фаза чистой воды. Концентрация взвесей снижается до минимальных значений в безлёдный период вследствие осаждения минеральных аллохтонных веществ, биоседиментации, и вода приобретает наибольшую прозрачность. Развитие летнего фитопланктона увеличивает содержание органических взвесей, а минеральные частицы продолжают оседать в составе пеллет. В эпии металимнионе Ладожского озера,^[1][2]

например, концентрация взвеси возрастает в 2−4 раза, но глубже 80- 100 м она меньше 0,5 мг/л из-за бактериальной минерализации детрита. Осенью уменьшается доля органических взвесей из-за снижения интенсивности фотосинтеза органического вещества.

В водоёмах небольшого размера осенью концентрация минеральных взвешенных веществ увеличивается из-за большего влияния паводков и большего взмучивания в штормовую погоду. Взмученные волнением частички ила в литорали и на мелях осаждаются медленнее в быстрее охлаждающейся воде.

В эвтрофных водоёмах в периоды летнего «цветения» синезеленых водорослей, кроме плавающих на водной поверхности в штилевые полуденные часы органических взвесей (пыльца растений, листва, мусор), в водной толще могут образовываться три нефелоидных слоя:

• — подповерхностый на глубине 0,05−0,5 м с максимальной концентрацией фитопланктона 10 мг/л и более;
• — в металимнионе, где на поверхности пикноклина накапливается оседающий детрит, поэтому слой скачка иногда называют жидкое дно;
• — в придонных слоях с оседающим наилком при его взмучивании глубинными течениями или роющими ил беспозвоночными зообентоса.

Экологическое значение седиментации взвесей и их трансседиментации особенно проявляется летом при чередовании штилевой и солнечной погоды с ветреной и прохладной, что наиболее заметно в эвтрофных водоёмах. В безоблачную погоду увеличивается биомасса фитопланктона, затем — выедающего его зоопланктона и окисляющего детрит бактериопланктона. Штормовое перемешивание ускоряет седиментацию, заглубляя или разрушая слои скачка плотности. Одновременно оно взмучивает окисленный организмами бентоса наилок со дна литорали и пляжей. Ресуспензированная взвесь становится сорбентом растворённых веществ и соосаждает их при смене штормовой погоды на штилевую. В результате происходит постепенное захоронение в иловой толще загрязняющих воду веществ.

В зимний период, если водоём покрывается льдом, начинается постепенное осветление воды вследствие ослабления всех динамических процессов. Условия седиментации становятся наиболее близки к характеризуемым формулой Стокса (10.1), так как все вертикальные движения воды под ледяным покровом минимальны. В пресной воде, достигшей максимальной плотности и вязкости, осаждение взвесей замедляется, и требуется 2−3 месяца для снижения до минимума содержания взвесей.

В весеннюю оттепель в реки поступают талые мутные воды, и их приток в водоёмы означает начало нового годового цикла гидрологического режима и увеличения мутности воды.

В долинных водохранилищах внутригодовая изменчивость концентрации взвешенных веществ выражена намного сильнее по сравнению с озёрами. В зависимости от проточности в водохранилищах имеется два типа режима взвесей^[3]:

I тип режима подобен речному и отличается от него меньшим весенним пиком мутности. Он свойственен водохранилищам недельного и сезонного регулирования с большим водообменом и верховьям лопастей водоемов многолетнего регулирования стока. В половодье на Волге мутность воды в приплотинных участках Иваньковского и Угличского водохранилищ возрастает до 20−24 мг/л (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Изменение мутности воды, мг/л, в створах: р. Волга-Тверь (1) и гидроузловИваньковский (2), Угличский (3) и Рыбинский (4) (по: Зиминова, 1975).

Большая часть аллохтонных взвесей проходит транзитом в стоковом течении. В фазу чистой воды содержание взвеси снижается до 4−8 мг/л. При летнем развитии фитопланктона ее концентрация увеличивается до 6 мг/л в мезотрофных Угличском (рис. 10.3.3) и до 10 мг/л в звтрофирующемся Иваньковском. В период ледостава в верховье этого водоёма мутность воды вдвое больше, чем нижележащих водохранилищах, из-за стока по Волге озерных вод из Селигера и Верхневолжского водохранилища.

II тип режима взвешенных веществ характеризуется отсутствием весеннего пика мутности. В водохранилищах многолетнего регулирования максимальные значения концентрации взвеси и наибольшие ее колебания наблюдаются в расширенных и приплотинных плёсах.

Колебания мутности воды в них определяются процессами формирования автохтонных взвесей: летом — развитием фитопланктона в штилевые и безоблачные дни и взмучиванием илов — в ненастную и ветреную погоду. Такой режим мутности воды наблюдается в Главном плёсе Рыбинского водохранилища, где в осенние шторма она увеличивается взмучиванием илов до 10 мг/л (рис. 10.3 4). Такие же внутригодовые колебания содержания взвешенных веществ в озеровидной части Горьковского водохранилища, в центральном и приплотинном районах Можайского водохранилища.

Структура седиментационного баланса водохранилища имеет вид: Гвв + Л^вв + Пвв + Г5<�г/вв + C/?/w_BB ~ Jbb ⁼ Sdm ⁺ BSdm ± ДМвв> (10.2).

где Г_вв— приток массы аллохтонных взвесей с водосбора и из вышележащего в каскаде водохранилища; АЬ_т- масса автохтонной взвеси, образовавшейся при абразии берегов; П_Вв органические взвеси (часть продукции органического вещества, не окисленная биотой и накапливающаяся в илах); TSd_BB — взмученная взвесь; СА/Ивв ^- масса автохтонной хемогенной взвеси; Г_вв — масса взвешенных веществ, сброшенная с водой через гидроузел в его нижний бьеф; Sd_BB + BSd_BB — масса накопившихся на дне отложений в процессе седиментации и биоседиментации; АА/_ВВ = Л/ввг Л/_Ввг изменение массы взвешенных веществ в воде водоёма с начала (А/_ВВ|) по конец года или другого расчетного периода (М_ВВ2 = С_ВВ2 W_2t где С_ВВ2 — средняя концентрация взвеси, г/м в воде водоёма и W₂ - его объём, м³).

Наиболее хорошо седиментационный баланс изучен в водохранилищах Волжского каскада¹. Осреднение рассчитанных его годовых величин за многолетний период существования этих водоемов показывает:

• — в приходной части баланса крупных равнинных водохранилищ доминирует абразионная взвесь Д/>_вв — 70% (в Куйбышевском и Рыбинском с наибольшим размахом колебания уровня (5−7 м) ее доля достигает 85−87%, а доля аллохтонной взвеси в них — всего 10- 14% вследствие сё перехвата верхневолжскими и камскими водохранилищами). Вклад автохтонного органического вещества П_вв в седиментационный баланс волжских водохранилищ всего 1−3% (в Иваньковском — 7% из-за обширных макрофитных зарослей в Шошинском плесе и заливах приплотинного плёса);
• — в расходной части баланса доля осевших на дно взвешенных веществ составляет в среднем 77% (в наименее проточных Рыбинском и Куйбышевском — 95%). В проточных водохранилищах (Саратовском, Чебоксарском и Угличском) транзитный поток взвеси в нижний бьеф гидроузла достигает 30−40%.

О соотношении интенсивности седиментации и взмучивания ила в равнинном водохранилище дают представление учащенные наблюдения с использованием седимснтомеров в центральном плесе слабопроточного и эвтрофного Можайского водохранилища^[4][5]. При объёме воды в плёсе 7,5 млн. м³

концентрация взвеси в воде варьировала в период летнего «цветения» синезеленых водорослей от 15 до 20 мг/л, и в воде содержалось менее 100 т ВВ при штиле и 150 т при ветрах более 5 м/с и ресуспензии. Поток оседающей взвеси изменялся в пределах 30−95 г/(м² сут). В составе осадка доля органической взвеси составляла 12−15%. В дождливую погоду мутность воды возрастала изза смыва частиц грунта со склонов долины и поступления мутных вод в водоем. Интенсивность седиментации при этом увеличилась до 170 г/(м" сут). В приходной части седиментационного баланса плеса за полумесячный расчетный период взмучивание составило 70%, продуцирование взвеси фитопланктоном 20 % и ее транзит со стоковым течением 10%, а в расходной части 90 % — осаждение взвесей на дно плеса.

Влияние регулирования речного стока водохранилищами на сток наносов исключительно велико, так как в водоемах аккумулируются все влекомые наносы. Происходит тем большая седиментация взвешенных веществ, чем менее проточно водохранилище. Интегральным показателем сокращения стока речных взвесей в водохранилище служит коэффициент удержания взвешенных веществ:

Он характеризует долю отложившейся в водоёме массы взвеси (в процентах от притекающей в водоём Г_вв) вследствие седиментации (К_вв — масса взвеси, изъятая с водой из водохранилища).

где Кп, км/сут, — среднегодовой коэффициент проточности (см. формулу 3.33).

Для равнинных водохранилищ России и Украины Б. И. Новиков^[6] предложил оценивать этот коэффициент по эмпирической зависимости (см. формулу 3.33 на стр.114):

В результате седиментации взвешенных веществ накапливаются донные отложения. Детальные грунтовые съёмки водохранилищ дают возможность определить распределение по площади дна толщины и состава отложений, рассчитать среднюю скорость их накопления, влияние их химического состава на свойства воды и жизнедеятельность водной и донной флоры и фауны. При этом следует различать следующие понятия (Законное, 2007):

• — занесение ложа, т. е. аккумуляция всех типов наносов в расчете на площадь водохранилища при НПУ. Это — характеристика наносоудержания, используемая для оценки темпа уменьшения объёма водохранилища и возможных сроков его эксплуатации;
• — осадконакопление, т. е. аккумуляция крупнои тонкодисперсных наносов на площадь их распространения, исключая участки размыва ложа и гидроморфного почвообразования в прибрежных зарослях макрофитов;
• — илонакопление, или заиление, т. е. аккумуляцию тонкодисперсных взвесей алевритовой и пелитовой фракций на площадь их распространения, где накапливаются биогенные и органические, а также загрязняющие вещества, обмен которыми с водой способствует биологической продуктивности и самоочищению экосистемы, но и создает опасность вторичного загрязнения воды иловыми частицами при их взмучивании.

Примеры использования разных видов оценок осадконакопления: средняя толщина слоя осадконакопления. В верхневолжских водохранилищах к началу XXI века она составила 10 см. в Куйбышевском — до 20 см;

• — средняя скорость занесения водоёмов Волжского каскада равна 3- 10 мм/год. По мере их старения она постепенно уменьшается вследствие ослабления абразии из-за формирования береговых отмелей;
• — наибольшая интенсивность накопления донных отложений. Она в Куйбышевском водохранилище — 15 млн. т/год, из них 10 млн. т/годила (Законное, 2007).

В горных и предгорных водохранилищах на реках с большим стоком наносов темп занесения многократно больше.

Сокращение объема млн. м³, по данным на;

Рис. 10.4.

воды,

блюдений (1) и по прогнозу (2) в водохранилище Хашм ЭльГибра (по: Таглави, 2010).

Например, на р. Атбара (последний крупный приток р. Нил), которая пересыхает зимой и весной. Ее сток поступает в ирригационное водохранилище Хашм ЭльГибра (объём 1,3 км³, построено в 1964 г.) со средней концентрацией взвеси 25 кг/м³ и вносит 100 млн. т/год наносов. В первое десятилетие объём водохранилища сократился до 800 млн. м³ (рис. 10.4). В последующие годы темп его занесения снизился, и в 2005 г. объём водохранилища составил 400, а площадь акватории сократилась со 120 до 75 км". По прогнозу, объем водохранилища к 2020 г. уменьшится и занесение составит 75% его первоначальной ёмкости^[7].

Главная причина замедления процесса занесения такого водохранилищаинтенсификация транзитного потока наносов из-за уменьшения объёма водоёма и увеличения водообмена в заносимом долинном водохранилище. Из года в год увеличиваются скорость и турбулентность стокового течения, ослабляется седиментация, усиливается взмучивание донных отложений и увеличивается мутность воды, которую сбрасывают в ирригационные каналы и нижний бьеф гидроузла. Этот процесс хорошо отражает формула Г. И. Шамова^[8]:

где IV, — объем воды при НПУ в заносимом наносами водохранилище через / лет после сооружения гидроузла, fVSo- объём наносов, аккумулированных в первый год эксплуатации водоёма и W₀- начальный объём водохранилища.

Процесс занесения предгорных и горных водохранилищ может развиваться различно. Если в стоке реки, питающей водоём, преобладают влекомые и крупнодисперсные наносы, зона занесения распространяется в ложе водохранилища от верховьев в сторону гидроузла, сокращая протяженность водоёма и площадь его водной поверхности (Краснодарское на Кубани, Кайраккумское на Сырдарье). Водный поток постепенно размывает толщу отложений, формируя русло. Если наносы в реке мелкодисперсные, в водохранилище они переносятся придонным мутьевым течением, зона аккумуляции примыкает к гидроузлу.

Заиление водоёма начинается в русловой ложбине и на участках затопленной поймы, а граница этой зоны перемещается из приплотинного в центральный район. Темпы заиления меньше по сравнению с интенсивностью занесения водохранилищ крупнодисперсными наносами.

Для ограничения процесса занесения и заиления водохранилищ реализуются проекты снижения стока наносов мероприятиями защиты территории их водосборов от эрозии почвогрунтов. Интенсивность накопления наносов снижается однотактной, а лучше — двухтактной промывкой водохранилища. Это — кратковременные сбросы воды гидроузлом с расходом до 1000 м³/с и более. Их цель — резкая интенсификация стокового течения для взмучивания накопившихся в предшествующий период года и ещё не уплотнившихся отложений. Такое мероприятие возможно, если достаточно обоснован прогноз притока воды в водохранилище для заполнения его полезного объёма к началу предстоящего водохозяйственного года.

• [1] Ладожское озеро. Атлас. — СПб.: ИОЗ РАН, «444 ВКФ МО РФ, 2002. — 130 с.
• [2] Онежское озеро. Атлас. — Петрозаводск: КНЦ РАН, 2010. — 151 с.
• [3] Зиминова Н. А. Взвешенное вещество в равнинных водохранилищах // Гидрологияозер и водохранилищ. Ч. 2. — М.: Изд-во Моек, ун-та, 1975. — С.89−96.
• [4] Законное В. В. Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада: авто-рсф. дисс. … д. г. н. — М., 2007. — 39 с.
• [5] Соколов Д. И., Кременецкая Н. Р. и др. Особенности режима мутности в долинномводохранилище при низком уровне воды И Вести. Моек, ун-та,. — Сер. 5. География. -2011. № 3. — С. 27−32.
• [6] Денисова А. И., Нахшина Е. П., Новиков Б. И. [и др.] Донные отложения водохранилищ и их влияние на качество воды. — Киев: Наукова думка, 1987. — 164 с.
• [7] Таглави Э. С. X. Совершенствование методов эксплуатации водохранилищ на рекахс обильным стоком наносов: автореф. дисс. … к. т. н. — М.: МГЛУ, 2010. — 28 с.
• [8] Шамов Г. И. Речные наносы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1959. — 378 с.