Гидродинамика и гидрохимия водных масс экосистемы устьевой области притока водохранилища

DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10096

А.В. РАХУБА, Л.Г. ТИХОНОВА

Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти, Россия

ГИДРОДИНАМИКА И ГИДРОХИМИЯ ВОДНЫХ МАСС ЭКОСИСТЕМЫ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ ПРИТОКА ВОДОХРАНИЛИЩА

Экологические проблемы водохранилищ включают целый комплекс аспектов, среди которых важную роль играют вопросы, связанные с качеством водной среды. Ведущим фактором, определяющим состояние водных экосистем в зоне сопряжения устья реки и водохранилища, является водообмен. Режим водообмена сказывается как на физико-химических показателях воды, так и на условиях обитания водных организмов (Матарзин, 1977; Эдельштейн, 1991).

Формирование химического состава вод водохранилищ происходит при крайне неустановившемся гидродинамическом режиме. В условиях суточного и недельного регулирования стока в устьевых областях притоков возникает зона переменного подпора, где происходит смешение речных и водохранилищных водных масс. В зависимости от характера попусков воды на ГЭС смешение водных масс сопровождается комплексом интенсивных гидродинамических и внутриводоемных процессов трансформации вещества и энергии. В течение суток даже при небольших изменениях уровня воды могут наблюдаться многочисленные разнонаправленные колебания скорости течения, которые сопровождаются развитием горизонтальной и вертикальной неоднородности гидрохимических и гидробиологических показателей водной среды.

Для изучения водообменных процессов в период летней межени в устьевой области р. Сок нами были проведены измерения гидрологических и гидрохимических характеристик. Была поставлена задача, оценить суточную динамику гидрохимических показателей и дальность проникновения волжских вод в устьевой зоне подпора притока при известном режиме колебания уровня воды в нижнем бьефе Саратовского водохранилища.

В ходе мониторинговых наблюдений в устье реки вдоль линии смешения вод были выбраны три вертикали (рис. 1), на которых в характерные фазы колебания уровня (в 7 и 16 часов) в поверхностном горизонте отбирались пробы воды для химического анализа. Контрольные измерения уровня воды и удельной электропроводности (УЭП) осуществлялись на суточной станции (вертикаль 2) с интервалом 1 мин автоматизированной измерительной системой «DS-5X». Затем на материале наблюдений с помощью программного комплекса «ВОЛНА» (Рахуба, 2007, 2009, 2017) было выполнено моделирование и расчет динамики водообмена.

Наблюдениями за уровнем, скоростью и направлением течения было установлено, что волжские воды начинают поступать в устье в дневные часы суток (10-11 часов). Перенос водохранилищных вод сопровождается периодическими разнонаправленными колебаниями движения потока и завершается ночью к моменту достижения максимального уровня (0-1 час). В этот период происходит активное перемешивание водных масс в верхних слоях и менее интенсивное - в глубинных горизонтах. После начала спада уровня воды поток разворачивается по направлению к водохранилищу, и устье полностью заполняется речными водами.

Пространственно-временная неоднородность вод устьевой области хорошо прослеживается по ряду гидрохимических показателей (табл.). В дневные и вечерние

© 2019 Рахуба Александр Владимирович, rahavum@mail.ru; Тихонова Людмила Геннадьевна, ludmila_g_t@mail.ru.

часы суток, когда идет заполнение устья водами из водохранилища, диапазон колебаний УЭП выше, чем в ночные и утренние часы в 1,5 раза, рН - в 3,1 раза, ХПК -в 5 раз, БПК5 - в 2 раза, фосфатов - в 1,4 раза и нитратов - в 2 раза. Пространственное распределение указанных гидрохимических показателей характеризуется устойчивым возрастанием от границ водохранилища вдоль линии смешения в сторону устья во все фазы колебания уровня воды. Достоверно судить о пространственной неоднородности вод можно по показателю УЭП. Так, по данным проведенных измерений в границах зоны смешения со стороны водохранилища (вертикаль 3) УЭП составляет 390-555 мкСм/см и со стороны реки (вертикаль 1) - 1368-1375 мкСм/см. В центральной части зоны смешения (вертикаль 2) прослеживается максимальная неоднородность по УЭП -865-1451 мкСм/см.

Таблица. Средние значения некоторых гидрохимических показателей за период наблюдений

Показатель Среднее течение реки вертикаль 1 вертикаль 2 вертикаль 3

р. Сок р. Волга 7 час 16 час 7 час 16 час 7 час 16 час

рН 8,2 7,77 8,11 8,01 8,06 8,07 8,05 7,9

ЕЙ, шУ 230 340 259 348 252 327 233 340

УЭП, мкСм/см 1342 382 1282 1372 1223 1158 1030 473

ПО, г02/м3 4,07 7,12 4,08 3,04 4,16 5,44 5,44 6,32

ХПК, г02/м3 31,1 27,1 22,5 29,0 22,9 27,2 21,5 25,3

БПК5, г02/м3 1,62 0,97 1,35 1,62 0,80 0,67 0,69 0,90

Фосфаты, гР/м3 0,150 0.030 0,124 0,132 0,123 0,124 0,113 0,056

Нитраты, гШм3 0,30 0,39 0,35 0,38 0,35 0,38 0,38 0,33

В период пика смешения водных масс (15-16 часов) на всех трех вертикалях концентрация органического вещества (по ХПК, ПО, БПК5) наблюдается выше, по сравнению с периодом спада подпора. Исключение представляет вертикаль 1, которая

расположена на границе зоны смешения вод, и где не прослеживается определенной зависимости ПО и БПК5 с гидрологическими фазами. По-видимому, увеличение органики в водной толще устья можно объяснить взмучиванием илистых отложений при развитии вертикального турбулентного обмена в процессе торможения естественного течения реки в ходе подпорных явлений со стороны водохранилища.

На следующем этапе изучения водообмена в устьевой области р. Сок было проведено численное моделирование геометрии зоны смешения, а так же рассчитан режим поступления в водохранилище вод, формирующихся в зоне переменного подпора. Расчеты скоростей течений в зоне смешения вод показали, что при существующей динамике уровня водной поверхности в Саратовском водохранилище в течение суток наблюдаются неоднократные колебательные движения водной массы в прямом и обратном направлениях (рис. 2). Причем скорость течения из устья в водохранилище выше скорости поступления волжских вод в устье более чем в два раза. Рассчитанные на модели осредненные по глубине скорости течений на вертикали 2 в прямом направлении (из устья) составляют 0,08-0,17 м/с, в обратном (в устье) - 0,040,08 м/с. За сутки количество таких колебательных движений может доходить до шести и выше в зависимости от режима попусков на ГЭС.

Рис. 2. Модельный расчет гидродинамического режима в устье р. Сок на вертикали 2

Дальность проникновения вод водохранилища в устьевую область была рассчитана по показателю УЭП, с помощью которого наилучшим образом выделяются пространственная граница разнородных водных масс. Максимальное распространение водохранилищных вод в устье притока (при среднем колебании уровня воды 50-70 см) приходится на вечерние часы суток и достигает 2,5 км.

Таким образом, в течение суток формирование зоны смешения вод сопровождается как горизонтальной, так и вертикальной неоднородностью водной толщи. Поступление волжских вод в устье р. Сок, смешение и последующая разгрузка в Саратовское водохранилище создают нестабильный режим водной среды, не характерный для неприливных устьев рек. В зоне контакта речных и водохранилищных водных масс интенсивное смешение происходит в поверхностной толще воды, где скапливаются слабо минерализованные воды. В придонном слое минерализация

остается стабильно выше, чем в верхних слоях, и лишь при значительных колебаниях уровня наблюдается перемешивание по всей глубине. Действие подпорных эффектов сопровождается развитием вертикального турбулентного обмена, при котором содержание органического вещества в воде возрастает. При снижении подпора содержание органики также снижается. В результате, в течение суток значения гидрохимических показателей в устьевой области притока могут изменяться в 1,5-5 раз, а длина зоны смешения вод может достигать несколько километров в зависимости от величины колебания уровня на водохранилище.

Список литературы

Матарзин Ю.М., Богословский Б.Б., Мацкевич И. К. Гидрологические процессы в водохранилищах // Гидрология водохранилищ: Уч. пос. по спецкурсу / под общ. Ред.й Ю.М. Матарзина. Пермь, 1977. 88 с.

Рахуба А.В. Пространственно-временная изменчивость качества вод Саратовского водохранилища в условиях неустановившегося гидродинамического режима: натурные эксперименты и численное моделирование: Дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2007. 188 с.

Рахуба А.В. Экспериментальные исследования пространственно-временной неоднородности

качества вод долинного водохранилища // Изв. Самар. НЦ РАН. 2009. Т. 11, № 1. С. 146-154.

Рахуба А.В. Опыт использования измерительно-вычислительной системы «Хитон-Волна» в гидроэкологических исследованиях прибрежной акватории г. Тольятти // Экологические проблемы промышленных городов. Сб. 8-й Международ. науч.-практич. конф. Саратов, 2017. С. 484-488.

Эдельштейн К.К. Водные массы долинных водохранилищ. М.: Изд-во МГУ, 1991. 176 с.