Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук» (ЮНЦ РАН)
«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук» (ЮНЦ РАН)
ЮНЦ РАН
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.
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 гО2/м2. 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 гО2/м2). 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)
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 гО2/м2. 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 гО2/м2). 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)