Необходимость экологической оценки водных ресурсов бассейна Кубенского озера вызвана его безусловным общественным значением и необходимостью сохранения качества его водных ресурсов в условиях возрастающего антропогенного воздействия.
Имеющиеся исследования по озеру, как правило, при достаточной глубине проработок локализованы вокруг той или иной конкретной проблемы водной системы: гидрологической, гидротехнической, рыбохозяйственной и др. Однако, и это становится все более очевидным, существует объективная необходимость рассмотрения не только водных экосистем и происходящих фрагментарных изменений их состояния, но и объекта более высокой степени интеграции – биома, включающего в себя водоем вместе с водосборной площадью.
В настоящей работе предпринята попытка применения такого подхода, позволившая провести экспертную оценку уровня антропогенной нагрузки на водные ресурсы всего водосборного бассейна, интегрированно отражающую происходящие на водосборе изменения.
Рассматривая водную экосистему Кубенского озера с точки зрения всего спектра параметров водных ресурсов как биома, авторами исследовано экологическое состояние трех составных частей биома – водного тела озера, водных ресурсов водосбора и интегрированной системы водосбор озера – озеро – Верхняя Сухона.
Результаты выполненных исследований в значительной степени определены объемом и качеством располагаемой информации о различных факторах, характеризующих экологическое состояние водных ресурсов озера.
Метеорологическая информация. Температура воздуха, режим осадков, снежный и ледовый покров, ветровой режим оценены по стандартным данным метеостанций Вологды, Коробово, Сокола. Для анализа режима увлажнения территории, а также для районирования территории по условиям выпадения максимальных суточных осадков теплого периода года использованы данные всех метеостанций и постов Вологодской области с начала открытия и по 1981 год включительно.
Гидрологическая информация представлена на водосборе данными измерений более чем 20 стоковых и уровенных постов. Периоды работы их – от нескольких месяцев до 100 и более лет. Плотность стоковых и водомерных постов в 1,5 раза меньше уровенных. Информация о твердом стоке рек ограничена. Его измерения начаты в 70-х годах и в настоящее время проводятся на водосборе на двух постах.
Сведения о пунктах и составе наблюдений за гидрологическим режимом бассейна озера приведены в [3].
Гидрохимическая информация. В работе собраны и обобщены материалы систематических наблюдений СУГКС, результаты планового контроля комитета экологии, областного и районных СЭН, Вологодской лаборатории ГОСНИОРХ. Кроме этого привлечены результаты исследований МП ЭПИР, Вологдаинжпроект, выполненных для оценки экологического состояния водных ресурсов южной части озера и гидрографической сети Прикубенской низины. Для определения показателей качества вод озера и Верхней Сухоны в период обратного течения последней авторами проведены специальные измерения и обследования в сотрудничестве с химлабораториями «Горводоканал» и СЭН.
Использована информация о качестве сбросных вод различных объектов антропогенной и техногенной инфраструктуры, получаемая в рамках системы АРМ «Форма 2-ТП Водхоз».
Информация о загрязнителях. На водосборе озера Кубенского частично или полностью размещаются земли 49 хозяйств шести административных районов с 43 тыс. чел. населения. Имеется 180 ферм крупного хозяйства и 2 свинокомплекса. Основу информации об площадных (сельскохозяйственных) загрязнителях составила инвентаризация систем водоснабжения и водоотведения сельских населенных пунктов, выполненная институтом «Вологдаинжпроект» с участием авторов.
Значительная часть работы в течение всего периода исследований уделена уровенному и гидрологическому режиму озера. В процессе работы авторы встретились с несколькими вариантами кривых основных зависимостей объема, площади зеркала и средней глубины озера от горизонтов воды, что потребовало их уточнений на более поздних топографических материалах. В рамках настоящей работы, используя данные о промерах 1987 года для карты-лоции Северодвинской шлюзованной системы, выполнена карта-схема озера в изобатах в пределах отметки 109,42 мБС и соответствующие топографические кривые. Кроме этого было установлено, что на озере в меженные периоды наблюдается постоянный уклон зеркала в сторону истока р. Сухоны. В этой связи выполнена корректировка зависимостей объемов, площадей и средних глубин при уклоне 0,020%, наблюдающемуся при минимальном зимнем уровне воды 95% обеспеченности.
Получено, что для лимитирующего уровня воды озера, принятого в проекте водоснабжения г. Вологды (107,2 мБС), фактическая площадь озера по уточненным кривым меньше принятой на 23 %, объем озера на 44%.
Графический материал свидетельствует, что южная часть озера в период низкой зимней межени представляет собой узкий водоем с глубинами 0,6-0,8 м, по которому осуществляется транзит стока р. Кубена – р. Сухона. Северная часть озера отличается от южной части в зимний период застойным характером [1].
Экстремальные условия зимы 1992 – 93 гг. привели к нарушению режима работы водозабора для г. Вологды и потребовали более углубленного изучения зимнего водного режима озера. При обобщении гидрологической информации выявлен ряд закономерностей, позволивших, например, получить прогнозные зависимости параметров зимней межени юго-восточной части озера и истока р. Сухоны. Подобные математические модели могут стать основой прогнозной составляющей системы мониторинга качества водных ресурсов или антропогенного влияния на них.
Одним из важных моментов, касающихся деятельности ВХК, является проблема установления таких параметров гидрологического режима озера, которые способствуют поддержанию численности популяции рыбного стада, адекватной биоэнергетическим ресурсам озера.
Выявлены взаимосвязи между численностью популяции леща возраста 4+ и абиотическими факторами воспроизводства, значимые на 5% уровне. «Работающими» предикторами оказались сумма положительных температур за период инкубации икры и сумма амплитуд сработки озера и предыдущую и последующую относительно нереста зимы.
Особенностью озера Кубенского является широко известный факт обратного течения р. Сухоны во время весеннего половодья. Авторами подробно рассмотрены гидрологические аспекты возникновения и развития процесса обратного течения, связанные с особенностями гидрографической сети и режима стока весеннего половодья [2].
В связи с транспортом с обратным стоком большого числа загрязняющих веществ проблема, в условиях близкого расположения водозабора для г. Вологды, приобретает принципиальный характер.
Действительно, расчеты, а также натурные гидрологические и гидрохимические наблюдения свидетельствуют о несомненном достижении загрязненного обратного стока створа водозабора (начала подводящего канала).
Гидрохимические и санитарно-бактериологические анализы, выполненные в период обратного течения, подтверждают факт резкого ухудшения качества вод озера в створе подводящего канала.
Авторами выполнены анализ источников антропогенного и техногенного загрязнения водных ресурсов бассейна и оценка степени их влияния.
В работе выполнена оценка степени относительного антропогенного воздействия на водные ресурсы с помощью метода экспертной диагностики [3].
По уровню антропогенной нагрузки выделено 4 степени экологической опасности, исходя из рассчитанного индекса загрязнения Iз: а) опасный, Iз более 1; б) критический, Iз более 0,4; в) значительный, Iз более 0,21; г) допустимый, Iз менее 0,2;
Данный количественный анализ нагрузки на водные ресурсы со стороны антропогенных источников позволил достаточно объективно, основываясь на фактических характеристиках хозяйств и окружающей их природной среды, «рассортировать» их по степени экологической опасности для водных ресурсов бассейна Кубенского озера.
Оценка экологического состояния водных ресурсов базируется на критериях качества вод применительно к различным видам водопользования. Оценка качества – это представление о качестве воды или степени ее загрязненности, выраженное в условных или абсолютных единицах, относительно количественных характеристик для определенного вида водопользования [4].
Выше мест действующих или проектируемых сбросов сточных вод эти характеристики (показатели) носят название фоновых. При этом за оценку фоновой концентрации вещества (Сф) принимается статистически обоснованная верхняя доверительная граница возможных средних значений концентраций этого вещества, «рассчитанная по результатам гидрохимических наблюдений для наиболее неблагоприятных гидрологических условий или наиболее неблагоприятного в отношении качества воды времени года».
В работе выполнен поиск возможностей определения параметров зависимостей гидрохимических характеристик от стоковых и их обобщения по створам (пунктам) с имеющимися рядами совместных наблюдений на основе многолетних оценок этих параметров.
Решение задачи предложено на основе известных в гидрологии статистических процедур. Показано, что гидрохимические показатели вод бассейна и озера объективно можно обобщить в виде многолетних кривых внутригодового распределения и по способу приведения их параметров к многолетнему периоду [4].
Методика, апробированная в работе, может быть использована для приведения к многолетнему периоду показателей гидрохимических характеристик во всех створах, по которым есть данные наблюдений за ними и за стоком или расположенных относительно недалеко от гидрологических постов, имеющих ряды наблюдений. Вероятно, что подобная обработка гидрохимических данных даст возможность их обобщения по водотокам, водосборам с использованием параметров уравнений их зависимостей от расходов или индексов с ними связанных.
При организации мониторинга загрязнения водотоков подобные кривые распределения могут служить в качестве прогнозируемых функций распределения тех или иных гидрохимических характеристик или входа в возможные стохастические модели процессов загрязнения или самоочищения.
Выводы
Результатом работы стало впервые выполненное обобщение большей части информации, касающейся антропогенного влияния на качество водных ресурсов бассейна Кубенского озера. Одновременно обобщены гидрологическая, гидрохимическая информация, имеющаяся на водосборе. Она дополнена некоторыми натурными исследованиями авторов, неопубликованными данными различных ведомств.
Многообразие граней проблемы взаимодействия природы и человека даже только в части, касающейся качества поверхностных вод, определило тот широкий спектр задач и вопросов, которые требовали рассмотрения в ходе исследований, краткое изложение результатов которых приведено ниже.
1. Выполнено исследование гидрологического режима оз. Кубенское и его притоков. Помимо обобщения имеющейся информации, получены уточнения, влияющие на принятие решений по обоснованию технических условий работы водоподводящего тракта водозабора оз. Кубенское – г.Вологда.
2. Исследованы особенности зимнего режима озера, динамика льдообразования, различий гидрологических условий северо-западной и юго-восточной частей озера. Уточнение морфометрических характеристик озера с учетом уклона водной поверхности позволило определить, что в зимнюю межень юго-восточная часть озера превращается в узкий водоем, определяемый транзитной зоной между устьем р. Кубены и истоком р. Сухоны.
3. Найдена форма и параметры расчетной зависимости нарастания толщины льда в зависимости от температуры воздуха по данным метеостанции.
4. Определена зависимость зимнего меженного стока из озера от объема притока и динамики водной массы. Подобная математическая модель может стать основой прогнозной составляющей системы мониторинга качества водных ресурсов или антропогенного влияния на них.
5. Исследованы условия формирования обратного течения р. Сухоны, его гидравлические особенности. Впервые определены многолетние гидрологические характеристики этого явления, оценено его влияние на водные ресурсы озера.
6. Выполнена оценка поступления твердого стока в озеро, режима и объема его поступления в р. Сухону, влияние обратного течения на его количество и качество.
7. Выполнен отбор проб и их обработка по оценке концентрации тяжелых металлов в донных отложениях озера.
8. Выполнено исследование требований к уровенному режиму озера со стороны рыбохозяйственного комплекса для целей воспроизводства рыбного стада. На основе корреляционного анализа определен оптимальный горизонт воды во время зимовки, а также ограничения по амплитуде колебаний уровня озера.
9. Рассмотрены условия формирования гидрохимического режима на водосборе озера и на его основных притоках.
Показана возможность определения параметров зависимостей гидрохимических характеристик от расхода воды, их обобщения по створам, водотокам, водосборам на основе многолетних оценок этих параметров.
10. На основе известных статистических процедур предложена методика обобщения гидрохимических характеристик в виде многолетних кривых внутригодового распределения и способ приведения их параметров к многолетнему периоду.
11. Определены основные загрязнители водных ресурсов водосбора озера. Разработана и применена методика экспертной относительной оценки вклада источников загрязнения в формировании антропогенной нагрузки на водные ресурсы.
12. Рассмотрены возможности количественной оценки загрязнения водотоков в результате сельскохозяйственного производства.
13. Выполнены натурные исследования и расчетные оценки самоочищающей способности основных водотоков водосбора, по которым имелась информация.
14. Выполнены натурные исследования и расчеты по оценке качества воды Верхней Сухоны во время обратного течения, его влияния на качество воды в районе водозабора для г. Вологды.
15. Объяснены причины вторичного загрязнения воды при обратном течении за счет переформирования различных русловых форм.
16. Разработаны рекомендации по обеспечению оптимального уровенного режима озера в зависимости от требований всех участников ВХК.
17. Впервые выполнена оценка влияния на качество водных ресурсов озера судоходства, маломерного флота, рекреационной нагрузки.
18. Сформулированы предложения по обоснованию мониторинга качества водных ресурсов с точки зрения необходимости накопления унифицированной информации о прошлом и настоящем, на основании которой можно было бы создать базу для результирующей части мониторинга – прогнозные модели и вычислить их параметры. Это позволило бы обоснованно принимать решения по контролю качества водных ресурсов путем предвычисления результатов тех или иных регулирующих действий.
Подводя итоги, можно сказать, что из опыта исследовании биома бассейна озера Кубенского, даже на базе имеющегося материала, есть возможность создания основы для заключительного звена мониторинга – модели реакции качества водных ресурсов озера и его биоты на изменения режима антропогенного загрязнения водотоков бассейна, т.е. на различные сценарии развития хозяйственной деятельности на водосборе.
Литература:
1. Белый А.В., Водоватов Ю.С., Поляков М.М. Влияние уровенного режима озера Кубенского на воспроизводство весенне-нерестящихся рыб. – В сб.: Экологические и инженерно-геоморфологические проблемы Вологодской области. – Вологда: ВоПИ, 1993. – С. 112.
2. Белый А.В., Поляков М.М. Предварительная оценка влияния обратного течения верховьев Сухоны на формирование качества воды озера Кубенского. – В сб.: Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов. – Вологда: ВоПИ, 1996. – С. 4.
3. Мероприятия по сохранению и восстановлению качества водных ресурсов бассейна Кубенского озера: Отчет по теме. – Вологда: Вологдаинжпроект, 1994. – 118 с.
4. Поляков М.М., Поливанов B.C., Белый А.В. Опыт комплексной оценки современного экологического состояния бассейна Кубенского озера. – В сб.: Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов. –Вологда: ВоПИ, 1996. – С. 134.