Оценка геоэкологического состояния пресноводных озер Алтайского региона с использованием гидрооптических характеристик

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, рассмотрена изученность проблемы, сформулированы цель и основные задачи работы, указаны объект и предмет исследования.
В первой главе представлен литературный обзор по теоретическим основам определения геоэкологического состояния водоёмов с использованием различных методов. Выявлены естественные и антропогенные факторы, влияющие на изменение геоэкологического состояние водоёма. Проведен анализ отечественных и зарубежных работ по исследованию гидрооптических характеристик в озёрных экосистемах, которые могут быть использованы как индикаторы геоэкологического состояния.
Во второй главе дана краткая физико-географическая характеристика районов исследования. Описан рельеф, климат, даны характеристики исследуемых объектов. Проведен анализ естественных и антропогенных факторов, влияющих на изменение геоэкологического состояния пресноводных озёр Алтайского края и Республики Алтай.
В третьей главе приведены экспериментальные данные по определению трофического уровня исследуемых озер Алтайского региона с помощью индекса Карлсона и ОИГС, рассчитываемого по спектральному показателю ослабления света ε(λ). Проведено сравнение между этими методиками и получены корреляционные зависимости, которые показали статистически достоверный результат. Продемонстрировано изменение оптических параметров озёр в зависимости от сезона года.
В четвертой главе представлены значения спектрального показателя ослабления света воды на длинах волн 400–800 нм, полученные экспериментальным путем, рассчитан ОИГС. Применялся метод интерполяции (ОВР) с использованием программного обеспечения ArcView. Построены картосхемы распределения спектрального показателя ослабления света ε(λ) и ОИГС по акватории озёр и глубинам.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Оптический индекс (ОИГС) на основе спектрального показателя ослабления света ɛ(λ430) отражает геоэкологическое состояние пресноводных водоемов, отсутствие, степень
влияния антропогенной нагрузки на территорию водосборного бассейна и акваторию.
Объекты исследования входят в состав двух физико-географических стран – Западно-Сибирская страна и Горы Юго-Западной Сибири.
Озёра являются разнотипными по происхождению котловин, характеристикам вмещающих ландшафтов, морфологии и уровню трофности.
Равнинные
Надпойменно-террасное озеро Красиловское расположено в правобережной части долины р. Обь в лесостепной зоне на границе третьей, «боровой», и четвертой террас. Оно занимает эрозионную котловину, которая первоначально была создана значительным водотоком, а впоследствии расширена в результате активизации эрозионно-дефляционных процессов. Бессточный водоём питается как поверхностными, так и грунтовыми водами. Трофический уровень – эвтрофно-гиперэвтрофное. Во время исследования 2012–2014 гг. отнесено к эвтрофному типу (по содержанию хлорофилла ”a”) (Котовщиков, 2015).
Озеро Иткуль расположено на древней надпойменной террасе правого берега Оби, проточное. В период паводка ежегодно Иткуль наполняется водами через систему малых рек, вода его близка по составу к речной. Чаша озера имеет лопастную форму. Конфигурация береговой линии сложная, берега рассечены заливами и бухтами. По трофическому уровню озеро относилось к мезотрофному типу (Веснина, 2000), позже стало относиться к эвтрофному (Суторихин и др., 2017).
Озеро Лапа по происхождению и положению в ландшафте относится к пойменным озёрам и принадлежит к придаточной системе правобережной поймы реки Оби. Водоём является непроточным и может сообщаться с рекой только в период весеннего половодья. Вода по солёности относится к α-гипогалинным пресным водам. Трофический уровень – эвтрофный (Суторихин и др., 2017).
Озеро Большое Островное расположено в Касмалинской ложбине древнего стока, является эрозионным по происхождению котловины. Оно расположено в Верхнеобской лесостепной провинции, Приобской левобережной колочно-степной подпровинции в Касмалинском районе (Николаев, 1975). По данным Л. В. Весниной за 1997 г., водоём по видовому составу зоопланктонных сообществ относится к мезотрофному типу, по сапробности – к b-мезосапробному (индекс сапробности S = 1,86–2,0). За 2008–2009 гг. озеро относилось к гиперэвтрофному типу (по содержанию хлорофилла ”a”) (Кириллов и др., 2009).
Горные
Телецкое озеро имеет тектоническое происхождение, в него впадает около 70 рек и более 150 временных водотоков (Селегей и др., 2001), вытекает только р. Бия. По содержанию хлорофилла ”a”, величине первичной продукции, прозрачности, содержанию биогенных веществ оно относится к ультраолиготрофно-олиготрофным водоёмам (Кириллова, 2006).
Антропогенная нагрузка связана с прямым или косвенным воздействием человека на природную среду в целом или на её элементы (Козин, Петровский, 2005).
В географических исследованиях для оценки антропогенной нагрузки и определения геоэкологического состояния поверхностных водных объектов в зависимости от поставленных задач используют различные подходы и, соответственно, различные показатели.
Так, для оценки антропогенной нагрузки на водосборный бассейн используют такие показатели как плотность населения территории (чел./км2); рекреационная нагрузка (чел./км2); сельскохозяйственная освоенность (распаханность, %), животноводческая нагрузка (количество условных голов КРС на 1 км2).
Данный подход встречается в работах И.Д. Рыбкиной, Н.В. Стоящевой, Н.Ю. Курепиной (2011); О.В. Отто, О.А. Оточкиной (2016). В таблице 1 автореферата представлены природные факторы (площадь водосбора, залесённость, заболоченность и т.д.), в тексте диссертации учтена и антропогенная нагрузка, влияющая на геоэкологическое состояние.
6

Таблица 1 – Природные условия водосборных бассейнов исследуемых озер
Показатель Телецкое
Лапа 11,5
0,76
2,1* 0
4,7* 0
Большое Островное
Глубина, м Sводного зеркала, км2
Sводосбора, км2
325 227,3
20 400
Красиловское Иткуль
6,5 8,5 5,6 1,4 10,2 28,6
53,4 464 892 0 1 1
2,5* 19 8 2* 6 3
Донные отложения
бескарбон атные терригенн ые алевритис тые глины
пески, суглинки, супеси
пески суглинки
песчано- илистые, черно- бурые, серые, чернобурые тонкие илы
пески, песчано- илистые, илистые (сапропели)
Кол-во притоков, 71 шт.
Залесенность, % Заболоченность, %
52 3
вые,
Грунты (подстилающая, водосборная поверхность)
бурые и
аллювиал ьные засоленн ые
состав почв и подстилающи х их отложений песчаный
песчаный
песчаный
серые
лесные,
галечнико
гравийны
е, и
песчаные
пляжи
Крутиз на склона
угол 15500 наклона,
град.
1 8 10 2,3 14 20
Уклон, %
28 85 0,93
* – данные посчитанные по Google Планета Земля.
Используемые в географии традиционные показатели и индексы (индексы загрязнения воды, бальные оценки и т.д.) (Арманд, 1973; Исаченко, 2001; Кузьмин, 2014) не в полной мере позволяют оценить геоэкологическое состояние водоёма. Предложенный нами ОИГС учитывает комплексное влияние всех этих факторов и позволяет оперативно оценить геоэкологическое состояние разнотипных пресноводных водоёмов.
Расчетная формула имеет вид:
ОИГС = (ɛ430) = (1 ( 1)), (1)
где первичная гидрооптическая характеристика – спектральный показатель ослабления света ε(λ) на длине волны 430 нм, рассчитывался по формуле:
ε(λ)= (1/L)·ln(1/Т), (2) где L − длина кюветы, Т = I / I0 − прозрачность в относительных единицах, I, I0 – интенсивности прошедшего и падающего света, соответственно, λ– длина волны света.
Выбор ɛ(λ) на длине волны 430 нм связан с тем, что свет именно этой длины волны наиболее чувствителен к содержанию в воде взвешенных и растворённых веществ, таких как
органические (желтое вещество) и неорганические соединения, клетки водорослей (хлорофилл), а также минеральная и органическая взвесь.
В численные значения ОИГС в той или иной мере вносят вклад все показатели, используемые в методике А.Г. Исаченко (2001). Таким образом, данная методика оценки геоэкологического состояния представляет полноценную характеристику озёрных процессов, определяемых воздействием на состояние водоёма комплекса зональных и азональных факторов (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Соотношение ОИГС и антропогенной нагрузки и природных факторов.
Геоэкологическая оценка представляет собой пространственный многопараметрический анализ природно-ресурсного потенциала естественных и антропогенно-измененных ландшафтов сцелью определения их возможности устойчиво выполнять задаваемые им социально-экономические функции без нарушения функций жизнеобеспечения (Дмитриев и др., 2016; Осипова, 2016).
Сопоставление относительных и удельных показателей антропогенной нагрузки и природных условий повышает объективность полученных результатов, выявляет территориальные закономерности и связи между источниками загрязнения и объектами среды. Сравнительный анализ этих факторов, воздействующих на водоём, позволяет комплексно оценить состояние территории водосбора.
Сравнение данных показывает (Рисунок 1), что ОИГС увеличивается вместе с увеличением числа баллов по А.Г. Исаченко (2001). Соответственно ОИГС отражает степень антропогенной нагрузки и влияние природных факторов.
2. ОИГС озер, рассчитанный по спектральному показателю ослабления света на длине волны 430 нм, коррелирует с трофностью (гидробиологической характеристикой), определяемой по индексу Карлсона.
На первом этапе исследования была проведена оценка распределения озёр Алтайского края по трофическому статусу, используя индекс Карлсона (Trophic State Index) (Carlson, 1977) (Таблица2). В основу расчётов TSI положены корреляционные зависимости между параметрами водной среды: прозрачностью по диску Секки (SD), концентрацией хлорофилла а (Хл а) в естественном сообществе фитопланктона и содержанием общего фосфора (Pобщ).
В настоящее время для оценки трофического уровня водоемов разработано большое количество нумерических шкал. Г.Г. Винберг (1960) в своих работах, характеризуя тип трофности водоемов, использовал численные показатели. Иностранные и отечественные исследователи, используя различные критерии, оценивали трофический уровень с помощью
шкал: Китаев (1984), Романенко (1985), Гутильмахер (1986), Бульон (1983), Likens (1975), Hubel (1966), и др.
Таблица 2 – Соответствие уровней ОИГС трофическому уровню, рассчитанному по спектральному показателю ослабления света
Индекс Карлсона (TSI) (Carlson, 1977)
Трофический уровень водоема (Carlson, 1977)
ОИГС (Суторихин и др., 2019)
Уровень геоэкологического состояния пресноводного (Суторихин и др., 2019)
Степень воздействия (Фроленков и др., 2021)
0-30
40-50
60-70
80 и более
олиготрофное
мезотрофное
эвтрофное
гиперэвтрофное
0-0,3 0,3-0,7 0,7-0,9
0,9-1,1
1,1-2,3
2,3-3,1 3,1 и более
низкий уровень1 (НУ1)
низкий уровень2(НУ2)
умеренный уровень1(УУ1) умеренный уровень2(УУ2)
средний уровень1(СУ1) средний уровень2(СУ2) высокий уровень(ВУ)
практически отсутствующая
очень слабая ощутимая
переходная
значимая повышенная сильная
На втором этапе проведен анализ связи TSI с ОИГС и показателем ослабления света ε(λ400–800) на всех глубинах озёр (Способ определения…, 2019). Выявлена достоверная положительная корреляция между натуральным логарифмом от численных значений ε(λ430) и ОИГС на трех озёрах (Красиловское, Лапа и Большое Островное). ОИГС и трофический уровень пресноводных озёр Алтайского края определялся в различные сезоны (Таблица 3).
Таблица 3 – ОИГС и трофический уровень пресноводных озёр Алтайского края по индексу Карлсона и спектральному показателю ослабления света
Озеро
Индекс Карлсона (TSI)
Трофический уровень водоёма
ОИГС
Уровень геоэкологического состояния пресноводного водоема
Красиловское 58 Лапа 54
Большое Островное 73
Красиловское 68 Лапа 52 Большое Островное 74
Август 2013
мезотрофно-эвтрофный 2,1
эвтрофный 1,6
эвтрофно- 3,1 гиперэвтрофный
Май 2014
эвтрофный 2,6
эвтрофный 1,3 гиперэвтрофный 3,4
средний уровень 1 средний уровень 1
средний уровень 2
средний уровень 2 средний уровень 1 высокий уровень
9

Продолжение таблицы 3
Озеро
Индекс Карлсона (TSI)
Трофический уровень водоёма
ОИГС
Уровень геоэкологического состояния пресноводного водоема
Красиловское 62 Лапа 60
Большое Островное 71
Красиловское 62 Большое Островное 70
Лапа 58
Большое Островное 58 Лапа 53
Красиловское 59 Большое Островное 69 Лапа 59
Красиловское 62 Большое Островное 72
Лапа 55 Большое Островное 65
Красиловское 57
Июль 2014
эвтрофный
эвтрофный
эвтрофно- гиперэвтрофный
Октябрь 2014
эвтрофный
эвтрофно- гиперэвтрофный мезотрофно- эвтрофный
Май 2015
мезотрофно- эвтрофный мезотрофно- эвтрофный
Август 2015
эвтрофный
эвтрофно- гиперэвтрофный
эвтрофный
Октябрь 2015
эвтрофный
эвтрофно- гиперэвтрофный
Август 2016
эвтрофный
эвтрофный
Ноябрь 2017
мезотрофно- эвтрофный
1,9 средний уровень 1 2,1 средний уровень 1
3,2 высокий уровень
1,7 средний уровень 1 3,1 средний уровень 2
1,9 средний уровень 1
2,9 средний уровень 2 2,6 средний уровень 2
2,4 средний уровень 2 3,1 высокий уровень 1,8 средний уровень 1
1,8 средний уровень 1 3,4 высокий уровень
1,9 средний уровень 1 3 средний уровень 2
2,3 средний уровень 1
10

Анализ данных позволяет заключить, что ОИГС, рассчитываемый по натуральному логарифму ε(λ430), соответствует трофическому уровню водоёмов, определяемому по TSI Карлсона (Суторихин и др., 2017). Соответственно ОИГС подтверждает данные о трофическом уровне озера.
Предложенная методика была подтверждена экспериментом на озеро Иткуль, схожим по генезису с озером Красиловским (Таблица 4).
Таблица 4 – ОИГС и трофический уровень оз. Иткуль по индексу Карлсона
Озеро
Иткуль
Иткуль
Хл а*, мг/ м3
2,47
11,55
SD, TP, м мг/м3
1,20 93
2,53 93
ОИГС TSI
Июнь 2017
1,2 55
Октябрь 2017
1,1 56
Уровень геоэкологического состояния
средний уровень 1
средний уровень 1
Трофический уровень
эвтрофный
эвтрофный
Озеро Иткуль соответствует эвтрофному трофическому уровню, геоэкологическое состояние по геоиндикатору, согласно предложенной шкале, соответствует среднему уровню 1.
Рисунок 2 – Зависимость между значениями трофического индекса Карлсона (TSI) и ОИГС 11
Выявлена достоверная положительная корреляция между ОИГС и трофическим
индексом TSI Карлсона (r=0,92, p<0,01) (Рисунок 2). Сезонная и пространственная изменчивость связи ОИГС и TSI для озёр Лапа и Большое Островное, представлена на рисунках 3 и 4. Подобные зависимости были выявлены на Цимлянском водохранилище и Таганрогском заливе Азовского моря (Жидкова, 2017; Сухоруков, 2017). Рисунок 3 – Динамика ОИГС в зависимости от сезона на различных глубинах оз. Лапа, 2016 г. Рисунок 4 – Динамика ОИГС в зависимости от сезона на различных глубинах оз. Большое Островное, 2016 г. 12 Также для равнинных озёр на примере озера Красиловское был предложен и апробирован метод построения картосхем пространственно-временного распределения уровней ОИГС. Поверхностные пробы воды были отобраны в 34 пунктах, по трансектам показанным на рисунке 5. Озеро Красиловское подвержено как антропогенному воздействию (с. Озеро-Красилово, туристические комплексы и базы, садоводства), так и влиянию природных факторов. В наиболее глубокой центральной части озера (6-7 м) толщина слоя ила составляет 20-30 см, ОИГС минимальный ‒ 0,7-0,9 (умеренный уровень 1), это обусловлено удаленностью от берегов и наименьшим антропогенным воздействием. На мелководных участках литорали на западе озера, а также заболоченных участках на юге значения ОИГС наибольшие 2,5-3 (средний уровень 2). На этих участках озера глубина составляет 1,5 м, толщина иловых отложений до 50 см. Максимальные значения ОИГС (3,2, высокий уровень) выявлены на участках озера, прибрежная водоохранная зона которых застроена или присутствуют свалки мусора. В этих частях озера глубина достигает 0,7-1,0 м, а толщина иловых отложений – 1,5 м. Рисунок 5 – Области интерполяции ОИГС озера Красиловского в поверхностном слое, 12.09.2019 г. Согласно предложенной методике, проранжированы участки акватории по уровню антропогенного воздействия со стороны водосбора. 3. Пространственно-временная динамика спектрального показателя ослабления света в горных глубоких озерах (Телецкое озеро) в период устойчивой температурной стратификации позволяет оперативно оценить изменение его геоэкологического состояния на разных участках акватории и глубинах. Для апробации разработанной методики определения ОИГС на горных территориях было выбрано озеро Телецкое тектонического происхождения. Исследования проводились в 2013-2019 гг. по схеме отбора проб (Рисунок 6). Рисунок 6 – Территориальное расположение станций отбора проб на оз. Телецкое 14 Фоновым участком на озере для дифференциации и ранжирования антропогенного воздействия и природных факторов выбран Кыгинский залив из-за практически отсутствующего антропогенного воздействия и из-за межгодовой корреляционной сходимости (r=0,85, p<0,01) данных (Рисунок 7). Рисунок 7 – Зависимость величин ОИГС (Кыгинский залив, Чири) за 2015–2019 гг. На рисунках 8 и 9 приведены картосхемы акватории озера с пространственным распределением значений ОИГС. Самые высокие показатели ОИГС наблюдаются в акватории у поселков Артыбаш и Иогач (Рисунок 8), наиболее подверженных антропогенному воздействию. Наибольшее антропогенное влияние связано с большим количеством водомоторных судов, осуществляющих грузовые и пассажирские перевозки. Следующим значимым фактором является рекреационная нагрузка. Туристические базы, палаточные стоянки, а также поверхностный смыв загрязняющих веществ с неорганизованных свалок вносят вклад в загрязнение берега и акватории. В Кыгинском заливе значения ОИГС наименьшие по озеру, причем в поверхностном слое пелагиали ОИГС=0,1-0,3 (низкий уровень 1) ниже, чем в литорали  0,4 (низкий уровень 2). На глубине 10 м в пелагиали ОИГС имеет значение 0,2 (низкий уровень 1) (Рисунок 9). Данный участок находится в зоне Алтайского природного биосферного заповедника, где полностью отсутствует антропогенное воздействие. На этом участке влияние оказывают только естественные процессы. В направлении от середины озера к берегу значения ОИГС возрастают от 0,4-0,5 (низкий 2) и 0,8 (умеренный 1) до 1,36 (средний 1). Самые максимальные значения в прибрежной части водоёма ОИГС составляет 2,4, что соответствует среднему уровню 2. Таким образом, на отдельных участках акватории Телецкого озера опробована возможность построения картосхем пространственно-временного распределения уровней ОИГС как элемента оценки геоэкологического состояния акватории. Согласно предложенной методике, проранжированы участки акватории по уровню воздействия со стороны водосбора. На Телецком озере выбраны участки с фоновым значением ОИГС, относительно которых определялся антропогенный вклад и влияние природных условий, которые приведены на рисунках 8, 9. Рисунок 8 – Области интерполяции ОИГС оз. Телецкого в поверхностном слое в районе п. Артыбаш и Иогач, 2019 г. Рисунок 9 – Области интерполяции ОИГС оз. Телецкого в районе Кыгинского залива (фоновый участок) и в устьевой части р. Чулышман, 2019 г. Выводы 1. На основании данных экспедиционных исследований и обобщения опубликованных материалов поантропогенной нагрузке (плотность населения, животноводческая и рекреационная нагрузка, распаханность территории водосбора) и природным условиям (площадь водосбора, залесенность, заболоченность и другие) проведена балльная оценка геоэкологического состояния изучаемых озер и их водосборных бассейнов. Выявлены территориальные особенности и связи между источниками загрязнения и водными объектами. 2. ОИГС, рассчитанный по спектральному показателю ослабления света на длине волны 430 нм, является наиболее объективным показателем геоэкологического состояния озера, так как чувствителен к содержанию в воде взвешенных (минеральная и органическая взвесь) и растворённых (органическое (желтое) вещество, неорганические соединения, хлорофилл водорослей) веществ. 3. Установлены достоверная положительная корреляции между ОИГС и трофическим индексом TSI (Trophic State Index) Карлсона и соответствие ОИГС с оценкой геоэкологического состояния по методу балльных оценок А.Г. Исаченко. 4. Разработанный ОИГС является комплексным геоиндикатором, позволяющим оперативно оценить геоэкологическое состояние разнотипных как горных, так и равнинных озер. Горное Телецкое озеро характеризуется более низкими показателями ослабления света в целом. 5. Проведенная на основе ОИГС геоэкологическая оценка участков акватории глубоководного Телецкого и мелководного Красиловского озер позволила проранжировать участки с разной степенью антропогенного воздействия. 6. Выявленная сезонная динамика ОИГС отражает сезонное изменение геоэкологического состояния озер, связанное с изменениями как внутриводоемных процессов, так и на водосборе.