Экологическое зонирование ложа водохранилищ

Сочетание присущего большинству водохранилищ многометрового размаха колебаний уровня воды с морфологическими особенностями их ложа служит причиной периодического сильного изменения размера их водной поверхности. Поэтому по её периметру имеется пространство переменной ширины и площади, которое при наполнении полезного объёма затапливается водой, а при сработке превращается в территорию побережья. Особенно обширны такие «земноводные» пространства на равнинных водохранилищах. Например, на Рыбинском водохранилище это пространство, называемое нередко осушной зоной, имеет площадь 2800 км², что составляет 60% ложа водоема при НПУ. Такая часть ложа в Иваньковском водохранилище — более 80%, в Угличском — более 70%, в Истринском и Можайском — по 50% акватории при НПУ.

Столь масштабное явление, несвойственное озёрам, породило одну из главных экологических проблем проектирования и эксплуатации водохранилищ — проблему мелководий, Она состоит в том, что осушаемые мелководья крайне неудобны для хозяйственного освоения. В то же время «земноводное» пространство играет важную роль в функционировании всей экосистемы водохранилища, в формировании его биологической продуктивности, в процессах самоочищения и вторичного загрязнения воды. В проектно-технической документации выделяется мелководная зона — часть водохранилища с глубиной 2,5 м при НПУ. Границы её статичны, не зависят от колебаний уровня воды в водохранилище. Это удобно в правовом отношении при землепользовании и отводе земель под ложе нового водоёма, но не соответствует режиму водной экосистемы.

Непригодность статичного зонирования прибрежья особенно очевидна для водохранилищ глубокого сезонного и многолетнего регулирования стока. В многоводные годы с интенсивной сработкой выделенная так зона остается покрытой водой только несколько дней или недель, а в маловодные один-два года может и вовсе нс затапливаться. Термин мелководье, или мелководная юна можно использовать при обозначении прибрежных участков водохранилища, в пределах которых глубина изменяется от 0 до 2 м лишь для конкретных моментов или отрезков времени в фазе воднобалансового равновесия. В другие фазы и пространственное положение на береговом склоне, и размеры площади мелководий будут уже не теми, одни биотопы, прежде мелководные, будут при сработке обсыхать, а другие — превращаться из глубоководных в мелководные. Кроме того, характерные для мелководий гидродинамические, термические, световые условия развития прибрежных биоценозов, отличающие се от пелагиали, в водохранилищах разного размера, водообмена, химического состава воды и её мутности существенно изменяются в течение года и могут наблюдаться на меньших или больших глубинах, чем 2−2,5 м.

Часть ложа водохранилища — нечто промежуточное между акваторией и территорией предложено (Эделыптейн, 1998) именовать акватерритория водохранилища (АТВ). Акватерритория ограничивается наблюдавшимися в период эксплуатации водохранилища отметками наивысшего (//мм) и наинизшего (Н_тт) уровня и кривой его динамического подпора. Площадь пространств с разной продолжительностью затопления и осушения в её пределах закономерно изменяется как в отдельные годы, так и в среднем за многолетний период существования водохранилища. Связанная с этим экологическая неоднородность АТВ по абиотическим признакам учитывается зонированием ложа водохранилища.

Главным признаком коренного изменения экологического состояния каждого биотопа экосистемы АТВ следует считать его затопление водой либо, наоборот, его обсыхание вследствие понижения уровня воды. При этом в любой сезон года мгновенно изменяются освещение и радиационный баланс биотопа, его температурный режим, условия дыхания, перемещения и питания микроорганизмов, растений и животных, населяющих биотоп. Такая смена состояния неизбежно вызывает перестройку трофических связей, смену роли различных видов биоты в процессах превращения веществ и энергии в АТВ. Иными словами, изменяется сам биоценоз из водного в наземный. Направленность его дальнейшего развития определяется продолжительностью «обсохшего» и «затопленного» состояния, частотой чередования этих двух состояний.

Методика зонирования ложа водохранилищ основана на совместном анализе кривых обеспеченности уровня воды в водохранилище и его батиграфических кривых. Для этого строят номограмму, состоящую из следующих кривых:

три кривые обеспеченности нахождения среднесуточного уровня воды в пределах каждого из расчётных диапазонов высотных отметок за весь многолетний период существования водоёма,.

— кривую площадей водохранилища F (H) и кривую объёмов W (H) (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Номограмма для зонирования ложа долинного водохранилища. Зоны: а — постоянного затопления; б — периодического обсыхания; В — ежегодного обсыхания; Г- периодического затопления и Д — эпизодического затопления. Кривые обеспеченности: I — осредненная за многолетний период.

2 — его максимального за год значения; 3 — минимального за год значения; кривые объемов (4) и площадей (5), в % от площади акватории и объема при НПУ и отметки уровня воды в момент наивысшего (б) и наинизшего (7) уровня воды при ледоставе среднесуточных значений уровня воды;

Выбор числа расчетных диапазонов высотных отметок при вычислении координат кривых обеспеченности уровня зависит от размаха колебаний уровня воды АН за весь многолетний период и от размаха наибольших сгонно-нагонных денивеляций водной поверхности ДЯд в области квазистатического подпора. Необходимо, чтобы расчетный диапазон отметок Д#_Р > ДЯд. Например, для Можайского водохранилища, размах колебаний уровня в котором АН = 7,7 м, а величина ДЯ_д <0,15 м, выбрано значение ДЯ_Р = 0,25 м. Ложе водохранилища в рассматриваемом примере подразделяется 5 зон.

• • зона постоянного затопления — это вся поверхность ложа водохранилища, расположенная ниже наинизшего уровня (Я_тт), которая с момента первоначального заполнения водохранилище постоянно покрыта водой (50% площади акватории и 33% объёма в Можайском водохранилище);
• • зона периодического обсыхания дна расположена между отметками Н_тт и (уровень наименьшей сработки за многолетний период), се поверхность обычно покрывается льдом во время зимней сработки;
• • зона ежегодного обсыхания между отметками Н_т и Я_м (уровень наибольшего наполнения полезного объёма в самый маловодный год) в фазы наполнения ежегодно покрывалась водой и обсыхала в фазы сработки нс только зимой, но и в безлёдные сезоны;
• • зона периодического затопления, расположенная между отметками НПУ и Ям, не каждый год испытывала смену своего экологического режима, так как в водохранилище многолетнего регулирования в годы с маловодной весной уровень нередко не достигает НПУ;
• • зона эпизодического затопления, которая подвергалась затоплению на несколько суток при форсировании НПУ в исключительно высокий дождевой паводок.

Кроме того, на номограмме показывают отметки наивысшего и наинизшего уровня воды в момент ледостава для оценки пространственного положения участков ложа, на которые ложился обсыхающий ледяной покров.

С помощью номограммы однозначно определяются, во-первых, площади и высотные отметки границ экологических зон АТВ, что требуется для нанесения их на карту, во-вторых, среднее и экстремальное за многолетний период число суток в году, в течение которых вода покрывала тот или иной участок склонов и дна долины, ставший ложем водохранилища. Например, на рис. 4.7 видно, что на отметках 2−2,25 м ниже НПУ расположены участки ложа Можайского водохранилища, которые в разные годы бывали затоплены от 30 до 280 сут. Следовательно, они представляли собой то затопляемое на месяц в половодье маловодного года побережье водоёма, то в течение всего безлёдного периода мелководье, на дно которого зимой ложился при сработке ледяной покров. В большее же число лет, прошедших с момента создания водоёма, рассматриваемые участки были мелководьем лишь до конца лета (125−130 сут.), а ранней осенью превращались в обсыхающую прибрежную территорию площадью >450 га. Поверхность участков, покрывающихся обсыхающим за зиму льдом, в Можайском водохранилище составляет -20% акватории при НПУ, т. с. 620 га.

Использование таких номограмм показало, что в водохранилищах некоторые зоны АТВ могут отсутствовать, например, зона эпизодического затопления или зона ежегодного обсыхания. Иногда бывает полезно на подобную номограмму наносить дополнительно кривые F (H) и W (H) нескольких районов долинного водохранилища для более детального анализа экологической структуры АТВ.

Процесс трансформации наземных биотопов долины в биотопы АТВ длителен. Только через 20−25 лет завершилось самоочищение ложа в Рыбинском водохранилище от затопленной растительности, торфяных сплавин (всплывшие массивы торфа при затоплении ложа). Сформировались новый подводный рельеф и состав грунтов со специфическим термическим режимом и новой флорой и фауной. Самые обширные участки АТВ представляют теперь плоскую равнину с небольшим уклоном в сторону зоны постоянного затопления.

Характерная особенность осушенных участков поверхности АТВ — её промерзание. В суровые зимы с поздним образованием снежного покрова супесчаный грунт таких участков промерзает на глубину до 70 см, а температура в верхнем его слое понижается до −10…−15 °С. Зимующие в нём водные животные почти полностью гибнут. Но на участках аккумуляции илистых отложений с меньшей теплопроводностью под снежным и обсохшим ледяным покровом в такие зимы промерзания грунта не происходит даже при температуре их поверхности -2 °С благодаря повышенной минерализации порового раствора. Эти участки становятся очагами расселения прибрежных видов водных организмов при весеннем затоплении.

Весной вода в АТВ отличается от водных масс зоны постоянного затопления более ранним и быстрым прогревом (особенно в годы, когда заливаются участки зоны периодического затопления, прогретые весенним солнцем до 10−18 °С). Летом здесь наиболее сильны синоптические и внутрисуточные (во время устойчивой безоблачной и штилевой погоды) колебания температуры. Размах суточного хода температуры у поверхности воды достигает 7−8 °С, в зарослях макрофитов максимум температуры может быть на 6 °C выше, чем в глубоководной зоне. С наступлением штормовой погоды различия характеристик воды (кроме ее мутности) на мелководье и в более глубоких участках водохранилища практически исчезают. В зарастающих участках мелководья сильнее стратификация: разница температуры между поверхностью и дном достигает 3−4 °С даже при глубине в 0,5 м. Это благоприятствует развитию гидробионтов, нересту и нагулу молоди рыб.

Контроленые вопросы:

• 1. В чём причина горизонтальности уровенной поверхности водоёма и её денивсляций?
• 2. Что такое многолетний водный баланс озера и его равновесный уровень?
• 3. В чём причины различия формы водной поверхности в трёх гидродинамических областях водоёмов?
• 4. Как следует разместить водомерные посты на крупных озёрах и водохранилищах для наилучшего расчёта среднего ежесуточного уровня в водоёме по водомерным наблюдениям?
• 5. Каковы особенности внутригодового уровенного режима озёр, расположенных в различных природных зонах и высотных поясах?
• 6. Какие географические факторы определяют размах колебаний уровня в озерах разной формы и водохранилище?
• 7. В чём причины колебаний среднего годового уровня в озёрах?
• 8. Что такое такт режима эксплуатации водохранилища, и как называются фазы такта?
• 9. Каковы типы колебаний уровня воды и их размах в водохранилищах различного водохозяйственного назначения на равнинных и горных реках и озёрах?
• 10. В чём состоят принцип и методика экологического зонирования акватерритории водохранилищ?
• 11. Какие особенности экологических условий развития водной флоры и фауны наблюдаются в пределах акватерриторий?