Быстрое меню


Русскоязычная часть:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук»
(ЮНЦ РАН)
Год проведения

Категории

Деятельность


№ 17-05-41145-РГО_а «Изучение трансформации среды и биоты Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона в условиях изменения климата»

Проект № 17-05-41145-РГО_а «Изучение трансформации среды и биоты Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона в условиях изменения климата»
 
Проект связан с фундаментальной научной проблемой – изучением влияния естественных климатических и антропогенных факторов на структуру и функционирование водных экосистем.
Целью исследования является получение новых знаний об особенностях функционирования Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона в условиях изменения климата.


Основной фундаментальной задачей проекта является изучение закономерностей трансформации состояния среды и биоты реки Дон и Цимлянского водохранилища в период маловодья путем изучения гидрологического и гидрохимического режима и исследование современного состояния планктонных и бентосных сообществ.

Описание концепции:

Проект связан с фундаментальной научной проблемой – изучением влияния естественных климатических и антропогенных факторов на структуру и функционирование водных экосистем.

Целью исследования является получение новых знаний об особенностях функционирования Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона в условиях изменения климата.

Основной фундаментальной задачей проекта является изучение закономерностей трансформации состояния среды и биоты реки Дон и Цимлянского водохранилища в период маловодья путем изучения гидрологического и гидрохимического режима и исследование современного состояния планктонных и бентосных сообществ.

Цимлянское водохранилище – одно из крупнейших водохранилищ Европейской части России. Площадь водоема составляет 2700 км², объём – 23,9 км³, длина – 180 км, максимальная ширина 30 км, средняя глубина 8,8 м. Водохранилище образовано при строительстве Цимлянской ГЭС, начатом в 1948 г., и заполнено донской водой в 1952-1953 гг. Водохранилище – комплексного назначения, оно является важнейшим звеном технической водохозяйственной схемы бассейна Дона, контролирует 50% водных ресурсов бассейна Дона и оказывает определяющее влияние на количество и качество воды, поступающей на нижележащий участок – Нижний Дон.

В настоящее время сложилась критическая социально-экономическая ситуация на Нижнем Дону (от Цимлянского водохранилища до Таганрогского залива Азовского моря). Обострение социально-экономических проблем, деградация гидрографической сети, падение природно-ресурсного потенциала возникли вследствие разбалансированности комплексного освоения и использования ресурсов этого региона в постсоветский период на фоне колоссального и все возрастающего антропогенного пресса в последние десятилетия.

Проблемы, существующие в современный период: изменение гидрографической сети (строительство прудов и заиление малых рек), в ряде случаев несанкционированное, нерегулируемое изъятие воды на сельскохозяйственные нужды, снижение рыбохозяйственного и рекреационного значения р.Дон и Цимлянского водохранилища, резкое снижение биологического разнообразия водных животных, деградация экосистем прибрежной и береговой зон. Перечисленные проблемы обусловлены двумя группами факторов: антропогенной и природной. К антропогенной группе факторов относятся необоснованная и часто несанкционированная деятельность, приводящая к нарушению естественного гидрологического режима в водоемах, включая гидромелиоративные работы, нерегулируемая рекреационная нагрузка, загрязнение, обмеление и заиление водоемов. Природная группа факторов включает географические, морфометрические, геохимические, климатические факторы, естественный гидрологический режим.

Современная сложная социально-экономическая и ресурсно-экологическая ситуация на Нижнем Дону обуславливает необходимость комплексного подхода при решении обозначенных проблем путем формирования и соответствующей национальной политики.

С начала 2000-х гг. значительно вырос грузопоток (насыпные грузы, сырая нефть, нефтепродукты) через Волго-Донской канал, Цимлянское водохранилище и Нижний Дон, что усилило негативные экологические последствия для водной и прибрежной биоты: увеличилась токсическая нагрузка на биоту, отмечен устойчивый рост накопления поллютантов в воде, донных отложениях и бентосных организмах. Климатически обусловленное сокращение

речного стока привело к снижению уровня воды в водохранилище, что неблагоприятно сказалось на условиях обитания донных организмов и рыб. Стали чаще происходить «цветения» водоема и заморные явления, особенно в кутовых частях, в том числе в местах водопотребления крупных городов Волгодонск, Цимлянск и др.

В итоге реализации проекта в 2018 году были достигнуты следующие результаты.

1. Проведены комплексные экспедиционные полевые работы. Собраны данные о широком комплексе гидрохимических характеристик воды. Выполнен отбор проб бентоса, фито- и микрозоопланктона. В ходе исследований выполнено изучение термической структуры Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона в различные сезоны, а также проведены полевые спектрометрические наблюдения и зафиксирована контрастное изменение трофности водохранилища от весны к летне-осеннему сезону.

2. Проведен анализ многолетних изменений гидрологического режима Цимлянского водохранилища и нижележащего участка реки. Оценена многолетняя динамика притока и отдачи воды, а также хода уровня верхнего бьефа водохранилища. Отмечено, что начиная с 2015 года, прослеживается увеличение максимальных и средних среднемесячных сбросов воды в нижний бьеф водохранилища на фоне роста уровня верхнего бьефа. Выполнена оценка сезонной и межгодовой изменчивости концентраций различных форм биогенных элементов и хлорофилла а в водах Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона, сравнение полученных данных с результатами предшествующих работ. На основании зарегистрированных концентраций хлорофилла «а» воды исследуемой акватории Цимлянского водохранилища можно охарактеризовать как высокопродуктивные (эвтрофные).

3. Оценено экологическое состояние геосистем Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона, выполнено описание структурно-функциональных особенностей макрозообентоса и выявлены произошедшие за последнее время под воздействием природных и антропогенных факторов изменения. Результаты анализа распределения экологического индекса ИНЭК свидетельствуют, что в пространственном отношении наблюдается естественный, но ярко выраженный тренд ухудшения качества вод по направлению к устью реки Дон. В Цимлянском водохранилище заметное ухудшение качества вод наблюдается в прибрежных районах, наиболее подверженных антропогенному влиянию. Однако, картирование акватории по качеству вод затруднено сложной гидродинамикой водоёма. Здесь, вместо стандартной системы «точечное загрязнение – зоны разбавления», мы можем наблюдать «пятнистость» распределения зон, характеризующихся разным уровнем качества вод. Исследование бентосных сообществ показало, что наибольшее значение для количественных и качественных характеристик макробентоса Цимлянского водохранилища имеют три параметра: глубина, тип донных осадков и географическое положение станции между верхней частью водохранилища и плотиной (то есть аппроксимация таких параметров, как сила течения, скорость седиментации, накопление органического вещества и т.п.). В результате анализа многолетних данных предложена схема процессов, приводящих к деградации донной фауны Цимлянского водохранилища.

4. Модифицирована математическая модель кислородного режима адаптированная к условиям Цимлянского водохранилища, описывающая сезонный ход содержания растворенного кислорода и его вертикальное распределение. За основу была взята одномерная математическая модель, описывающая сезонный ход содержания кислорода, его вертикальное распределение и взаимодействие с донными отложениями. При адаптации модели к условиям Цимлянского водохранилища были выполнены модификации в моделировании температурного режима (дополнение общей модели уровнением одномерной моделью переноса тепла), кроме того вместо решения отдельных уравнений переноса (баланса массы) для органических и биогенных веществ было решено зафиксировать все биологические переменные на основе трофического уровня водоема и тем самым уменьшить модель до модели с двумя уравнениями для температуры воды и растворенного кислорода соответственно.

5. Исследованы закономерности пространственно-временной изменчивости концентрации хлорофилла «а» в экосистеме Цимлянского водохранилища. В многолетней динамике концентрации хлорофилла а (КХа) можно выделить два ежегодно повторяющихся периода увеличения и следующих за ними спада КХа в приплотинном и центральном участках водохранилища. В марте-апреле КХа достигает первого максимума, минимальных значений она достигает в мае-июне. Второй максимум КХа наступает в этих районах в июле-сентябре. Летне-осенний период развития планктона продолжительнее весеннего и характеризуется более высокими значениями КХа. Для верхнего участка водохранилища картина сезонной динамики КХа меняется из года в год, но как правило среднее содержание хлорофилла здесь существенно ниже, чем для центрального и приплотинного участков. В рамках выполнения проекта была проведена калибровка нового алгоритма расчета концентраций хлорофилла а по спутниковым снимкам OLCI. Результаты определения КХа по космосникам в 2018 году были подтверждены полевыми подспутниковыми наблюдениями – спектрометрическими (съемка спектров и расчет коэффициентов спектральной яркости КСЯ) и аналитическими (определение концентрации хлорофилла а в воде фотометрическим методом).
 
В итоге реализации проекта в 2019 году были достигнуты следующие результаты.


1. Проведены комплексные экспедиционные исследования в период половодья и в летне-осеннюю межень в Цимлянском водохранилище и на Нижнем Дону. Выполнено гидролого-гидрохимическое и гидробиологическое  опробование исследуемых геосистем. Выполнена оценка изменчивости поступления  биогенных элементов  и ионного состава вод в Цимлянском водохранилище и на Нижнем Дону на основе полученных данных и результатов предшествующих работ..

2. Изучены биотопы и качественный состав зообентоса, проведен сравнительный анализ пространственного распределения макрозообентоса, изменений качественных и количественных показателей бентофауны в зависимости от характера биотопов. Выполнена инвентаризация чужеродных видов в Цимлянском водохранилище и на Нижнем Дону и получены данные о воздействии чужеродных видов на структуру и продуктивность исследуемых водных экосистем.
Исследования макрозообентоса показали, что на акватории Цимлянского водохранилища можно выделить две группы сообществ: 1) Tubificidae – Chironomidae на илистых грунтах; 2) сообщества банок с доминированием Dreissena – Monodacna. Распределение числа видов, численности и биомассы по акватории водохранилища  в общем, соответствовало распределению донных осадков – наибольшие значения этих показателей наблюдались на дрейссеновых банках, наименьшие (единичные экземпляры хирономусов и/или тубифицид) – на жидких илах.
В 2019 г. в Цимлянском водохранилище не выявлено достоверных различий между показателями макрозообентоса в весенний и осенний периоды.
 По данным многолетних исследований наблюдается тенденция к снижению доли понто-каспийских видов в донных сообществах в системе Цимлянское водохранилище – Нижний Дон – дельта Дона – Таганрогский залив. Так, начиная с 2011 г. понто-каспийские виды двустворчатых моллюсков практически не встречаются на большей части Таганрогского залива и значительно сократили численность в водотоках дельты Дона, где существенно уменьшилась биомасса и упростилась структура сообществ зообентоса. Изменения в структуре макрозообентоса обусловлены низкой водностью Дона, которая привела к росту солености в устьевой области Таганрогского залива и дельте. Изменение гидролого-гидрохимического режима Нижнего Дона также способствовало тому, что в донных сообществах на этой акватории в настоящее время одну из ведущих ролей играют виды-вселенцы. Так, Laonome xeprovala Bick & Bastrop, 2018, впервые отмеченная в дельте Дона в 2013 г. несколько лет встречалась в виде единичных экземпляров на ограниченной территории, но с 2017 г. начала быстро расширять ареал, и к настоящему времени в р. Дон встречается до ст. Семикаракорской (пробы 2018-2019 гг.). В январе 2017 г. в районе сброса подогретых вод Новочеркасской ГРЭС в р. Дон были обнаружены двустворчатые моллюски рода Corbicula. В последующих съемках, эти моллюски встречались регулярно в больших количествах на акватории р. Дон, прилегающей к Теплому каналу Новочеркасской ГРЭС и в самом канале. В июне 2017 г. в реке Дон в окрестностях устья реки Маныч был пойман экземпляр креветки Macrobrachium cf. rosenbergii, нативный ареал которой – пресные водоемы Юго-Восточной Азии. Следует отметить, что при обилии чужеродных видов, отмеченных в дельте и нижнем течении Дона, по данным съемок 2018 – 2019 гг. в Цимлянском водохранилище за исключением Dreissena bugensis другие виды-вселенцы не были обнаружены.

3. Установлены закономерности совместного функционирования Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона по характеристикам микрозоопланктонного и фитопланктонного сообществ.
Результаты анализа распределения значений ИНЭК (Индекс антропогенного эвтрофирования Креневых ) свидетельствуют о том, что состояние исследованного участка реки Дон выше водохранилища и центральная часть Цимлянского водохранилища, находятся на стадии мезоэвтрофного водоёма со слабо загрязнёнными водами и первыми признаками нарушения стабильности биоценоза. Нижнее течение реки Дон и прибрежная часть Цимлянского водохранилища относятся к мезоэвтрофным, сильнозагрязнённым водам с признаками нарушения стабильности биоценоза. На основании 2х-летних наблюдений, выделены зоны, с наибольшей вероятностью содержащие «пятна» с повышенным уровнем загрязнения.  Кроме того, необходимо отметить, что понижения уровня водообеспеченности в 2019 г. вызвало более сильные признаки нарушения стабильности биоценоза исследуемой акватории, чем сильное, продолжительное половодье 2018 г.
Полученные результаты исследования развития фитопланктона Цимлянского вдхр. и нижнего течения р. Дон пока не позволяют говорить о его серьезных структурных трансформациях. Сезонная смена основных лидирующих видов фитопланктона данной акватории сходна с описанной ранее в литературе. Всего в альгопланктоне Цимлянского вдхр. в 2018 г. было выявлено 121 и в 2019 г. 141 таксон эукариотических водорослей и цианопрокариот, относящихся к 9 отделам; в нижнем течении р. Дон в 2018 г. – 130, в 2019 г. – 102 таксона водорослей, также относящиеся к 9 отделам. За исследованный период в пространственном распределении значений биомассы фитопланктона по изучаемой акватории отмечали ее увеличение по направлению от Чирского участка Цимлянского вдхр. к приплотинному участку, а после плотины, в нижнем течении р. Дон, значительное ее снижение. В целом общая осенняя биомасса фитопланктона в 2019 г. по сравнению с 2018 г. была меньше в 3 раза на акватории водохранилища (за исключением локального пика биомассы на станции 11 в центральном районе приплотинного участка) и в 6 раз на Нижнем Дону. Интенсивность массового развития цианопрокариот на акватории приплотинного участка водохранилища в 2018 и 2019 гг. было «интенсивным» (с локальной вспышкой или сгоном фитомассы до «гиперцветения» в 2019 г.). На Чирском участке водохранилища в 2018 г. цветение было «слабое», а в 2019 г. – «умеренным». На Нижнем Дону в сентябре 2018 г. массовое развитие цианопрокариот характеризовалось как «интенсивное цветение» с переходом в «умеренное» ближе к дельте, а в сентябре 2019 г. – от  «умеренного» до «слабого цветения».

4. Верифицирована математическая модель кислородного режима, адаптированная к условиям Цимлянского водохранилища, дана характеристика условий возникновения зон дефицита кислорода в Цимлянском водохранилище в современный период.
Дана характеристика условий возникновения зон дефицита кислорода в Цимлянском водохранилище в современный период. Основное внимание было уделено таким факторам, как интенсивность продукционно-деструкционных процессов в водной толще и донных отложениях, стратификация водных масс и ветровой режим над водоемом. Величина валовой первичной продукции в Цимлянском водохранилище в условиях интенсивного развития сине-зелёных водорослей в летний период достигает 8-9 гО22. При таких величинах первичной продукции значительные количества органических веществ достигают дна, поэтому донные отложения водохранилища характеризуются довольно большими величинами суточного потребления кислорода (до 2.2 гО22). Вероятность возникновения замора особенно высока при установлении штилевой погоды после значительного волнения. При этом органические частицы ила долгое время находятся в придонном слое во взвешенном состоянии и потребление кислорода на их окисление возрастает. При интенсивной ветровой деятельности конвективное перемешивание слоев определяет достаточно выраженную гомооксигению в водохранилище. Однако при формировании стратифицированных водных масс расслоение водной толщи по кислороду может превышать 100%. В последние годы стратификация вод Цимлянского водохранилища формировалась в условиях снижения интенсивности ветровой деятельности. По данным метеостанции Цимлянск за период 1966-2018 гг. средняя годовая скорость ветра падает с 4.6 м/с до 3 м/с. Таким образом, интенсивное поступление детрита в придонный горизонт Цимлянского водохранилища обеспечивает крайне высокую скорость поглощения кислорода верхним слоем осадков водохранилища, что при высоких температурах способно привести к возникновению заморных явлений даже при кратковременном прекращении вертикального водообмена

5. Исследованы закономерности пространственно-временной изменчивости концентрации хлорофилла а (КХа) в Цимлянском водохранилище по спутниковым снимкам OLCI за период 2016-2019, спектрам восходящего излучения и контактным данным. Проведены расчеты и типизация коэффициентов спектральной яркости применительно к состоянию фитопланктонного сообщества на основе полевых спектрометрических данных о восходящем излучении хлорофилла а.
Как и ранее, можно выделить два ежегодно повторяющихся периода увеличения и следующих за ними спада КХа, теперь эта закономерность справедлива для всех районов, включая и верхний. В марте-апреле КХа достигает первого максимума, минимальных значений она достигает в мае.
Второй максимум КХа наступает в июле-сентябре. Летне-осенний период развития планктона продолжительнее весеннего и характеризуется более высокими значениями КХа. Максимальные значения КХа летом и осенью в центральном и приплотинном районах стали несколько выше в сравнении с 2002-2012 гг., но разница лежит в пределах погрешности метода. В верхнем же районе КХа значительное выросла.
В 2002-2012гг. среднее содержание хлорофилла в верхнем районе было существенно ниже, чем для центрального и приплотинного участков. В 2016-2017гг. КХа в верхнем районе достигала того же уровня, что и в двух других районах. А в 2018г. снова стала ниже, что можно связать с высоким уровнем паводковых вод в этом году. 

6. Выполнен анализ изменения рельефа дна Цимлянского водохранилища и зон осушки при разных уровнях наполнения водохранилища.
Была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) дна Цимлянского водохранилища на основе материалов топографических карт, лоций и ряда дешифрированных по космоснимкам береговых линий, характерных для разных уровней наполнения и данных эхолотных профилей. Полученная ЦМР позволила оценить динамику объёма воды и площади водного зеркала в 2000-2018 гг. при перемене уровня. Проанализированы наблюдения уровня в различных частях водохранилища, по ним установлено, что перепад уровня между Калачом-на-Дону и плотиной не превышает 10 см, что позволяет считать поверхность водохранилища ненаклонной. Полученная ЦМР позволила установить зависимости между уровнем воды и объёмом и площадью водного зеркала, как для всего Цимлянского водохранилища, так и для его отдельных частей.

7. Модернизирована гидродинамическая модель Цимлянского водохранилища. Проведена ее верификация на основе данных полевых измерений течений. Установлены критические параметры развития ветровой ситуации, которые в условиях интенсивного цветения могут иметь неблагоприятные последствия для эксплуатации водных ресурсов Цимлянского водохранилища.
 
 
 


Цветение микроводорослей Цимлянского водохранилища, х.Овчинников . сентябрь 2018 г. (фото К.В.Креневой)
 
 


Измерение  температуры и электропроводности воды зондом
CTD 60М. р.Дон, май 2018 г. (фото В.Л.Семина)