Морфометрические особенности озерных котловин и их влияние на экологическое состояние лимносистем

Короткий опис

Содержание
Введение...4

1 Пресные озера: запасы воды, уровень трофии и происхождение

1.1 Запасы вод пресных озер различных регионов...13

1.2 Озера как результат взаимодействия рельефа и климата...17

1.3 Трофический статус озер и проблемы типизации водоемов...21

1.4 Генетические классификации и проблемы определения генезиса озерных котловин...30

2 Морфометрические особенности и эволюция озерных котловин

2.1 Основные морфометрические характеристики озер...43

2.2 База данных озер мира WORLDLAKE...56

2.3 Изменение морфометрических характеристик озерных котловин входе эволюции озер ледникового происхождения...60

2.4 Конечный этап эволюции озерной котловины - заболачивание

озера...64

3 Происхождение и морфометрия озер в областях последнего оледенения (северо-запад России, север Польши, провинция Онтарио (Канада)

3.1 Физико-географические особенности северо-запада России, Польши, Онтарио...70

3.1.1 Северо-западный регион России...77

3.1.2 Польша...81

3.1.3 Провинция Онтарио (Канада)...84

3.2 Морфометрические характеристики озер северо-запада России, Польши, Онтарио и их статистический анализ...88

4 Экологические особенности озер в связи с их морфометрией

4.1 Гидрофизические свойства водных масс озер в зависимости от морфометрии озерных котловин...106

4.2 Проблема связи морфометрических особенностей озер и экологии гидробионтов...116

4.3 Влияние морфометрии озерных котловин на лимнические характеристики озер, их экологическое состояние и ход эволюции

озер...124

4.4 Морфометрия озер и экологический статус водных экосистем в бассейне р. Илекса...130

4.5 Связь экологических и морфометрических показателей озер северо-запада России...146

Заключение...159

Список использованных источников...162

Приложение А - Морфолого-гидрографическая характеристика некоторых

озер бассейна р. Илекса...179

Приложение Б - Корреляционная матрица для морфометрических, гидрологических и экологических характеристик озер ВНП...181
Введение

Введение

В современных условиях в связи с глобальным ростом дефицита пресных природных вод особую важность приобретает проблема рационального использования, охраны и восстановления ресурсов озерного фонда. Озеро - водоем замедленного водообмена, не имеющий прямой связи с океаном, является частью гидрографической сети и участвует в общем круговороте воды. Исследование морфометрических особенностей озерных котловин, а так же определение зависимостей между морфометрическими параметрами озер необходимо для уточнения мировых запасов пресных вод и решения проблемы эффективного управления водными ресурсами озер. Озеро, как геосистема, являющаяся составной частью ландшафта, вместе со своим водосбором представляет собой сложную единую природную систему, в которой взаимодействуют гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические и др. процессы.

Характер взаимосвязи между компонентами лимносистемы и окружающими ландшафтами определяет гидрологические и экологические особенности каждого из озер и направленность их развития. Озера различаются по происхождению своих котловин, по объему водной массы, по химическому составу вод и разнообразию населяющих их гидробионтов, по характеру донных отложений и условиям их накопления и другим параметрам. Озера являются расходно-накопительными системами и играют важную роль в круговороте вещества и энергии. Именно накопление вещества в озерах играет важнейшую роль в преобразовании озерных котловин и эволюции озерных геосистем.

Г.Ю. Верещагин [1] отметил определяющую роль морфометрии и морфологии котловины озера в лимнических процессах. Развитием этого

подхода к изучению внутриводоемных процессов занимались Э. Хатчинсон [2], Б.Б. Богословский [3], Л.Л Россолимо [4 - 6], О.Ф. Якушко [7 - 9], Л.Ф. Форш [10, 11], И.Н. Сорокин [12 - 14], Д.В. Севастьянов [15, 16] и др. Проблема в предложенной постановке приобретает особую актуальность в настоящее время, т.к. накоплена значительная информация об озерных котловинах и их генезисе. В связи с этим представляется важным и необходимым развитие и совершенствование оценок взаимосвязи морфометрических и эколимнологических характеристик водоемов.

Большое научное значение приобретает задача выявления закономерностей формирования озерных экосистем в зависимости от ландшафтных условий, а также проблемы перестройки водных экосистем в результате антропогенного воздействия на основе детального изучения процессов накопления вещества в озерах. Как отмечал Л.С. Берг [17], «ландшафты не есть нечто неизменное во времени..., понять данный ландшафт можно лишь тогда, когда известно, как он произошел и во что со временем превратился» (с. 21). Это утверждение в полной мере может быть отнесено и к природным озерным геосистемам, являющимся составной частью ландшафта. Исторический метод изучения окружающей среды объективно является необходимым инструментом географических исследований для познания динамики природных процессов. Палеолимнологические материалы, раскрывающие особенности истории озер и условий озерного осадконакопления способствуют пониманию современного состояния водных геосистем и тех изменений, которые произошли с формами озерных котловин. Учет этих важнейших факторов развития озер позволяет обоснованно оценить современное состояние озер и прогнозировать ход их дальнейшей эволюции с учетом изменений внешних условий и процессов, происходящих в самом озере. В настоящее время накоплен богатый опыт в изучении крупных озер. Установлены основные морфометрические и лимноэкологические характеристики крупнейших

водоемов мира. Однако изученность большинства средних и малых озер планеты пока недостаточна. В тоже время, выявление региональных особенностей озер, число которых на Земле составляет несколько миллионов, очень трудоемко, поэтому требуется развитие новых подходов, с использованием дистанционных методов и статистической обработки имеющихся данных.

В диссертации приводится обзор современных представлений о происхождении озерных котловин и морфометрических особенностей озер. Рассматриваются проблемы выявления связей между морфометрическими особенностями озер и современным экологическим состоянием лимносистем. Приводятся результаты исследований автора в области выявления статистически значимых зависимостей между морфометрическими и лимноэкологическими параметрами водоемов.

Основная цель диссертационной работы заключается в исследовании современных морфометрических особенностей озерных котловин ледникового происхождения и определении связи этих особенностей с экологическим состоянием лимносистем. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:

• обобщение и анализ существующих генетических и биологических классификаций озер;

• сравнительно-географический анализ и выявление особенностей развития озерных котловин в различных природных зонах;

• сбор и стандартизация данных по различным озерным районам и выбор групп озер ледникового происхождения, развивающихся в сходных физико-географических условиях;

• нахождение статистически значимых вероятностных связей между отдельными морфометрическими и гидрофизическими характеристиками озер;

• выявление и анализ статистически значимых связей между морфометрическими характеристиками озер, биологической продуктивностью и трофическим статусом водоемов. В качестве объектов исследовании выбраны озера области распространения последнего покровного оледенения в трех регионах: северо-запад России, север Польши и провинция Онтарио (Канада). Фактический материал и методы исследовании

Выбранные озерные районы характеризуются сходными историко-географическими и зонально-климатическими условиями развития и процессами озерного морфолитогенеза. В работе использована компьютерная база данных WORLDLAKE («Озера мира»), разрабатываемая в Институте озероведения РАН [18], в составлении которой автор принимала участие. База данных создается на основе литературных и фондовых материалов по географии, морфометрии, гидрологии, термике и трофическому статусу озер. В настоящее время база WORLDLAKE содержит обширные данные более чем по 46000 природным и 6000 искусственным озерам из 155 стран мира. Для указанных трех регионов из базы данных было отобрано около 4.5 тыс. озер ледникового происхождения.

Для выявления морфометрических связей были использованы методы математической статистики: а) расчет основных статистических параметров (среднее значение, дисперсия, диапазоны изменчивости и т.п.), б) нахождение и анализ линейных и нелинейных корреляционных связей и соответствующих уравнений регрессии, в) определение значимости выявленных эмпирических связей. При интерпретации выявленных зависимостей использован ландшафтно-гидрологический подход и сравнительно-географический метод. Научная новизна работы состоит в том, что:

а) Впервые выполнена статистическая обработка и анализ большого массива морфометрических и гидрологических параметров по озерам (около 4.5 тыс. объектов), имеющих близкий генезис;

б) Для равнинных озер ледникового происхождения гумидной зоны областей северо-запада России, севера Польши, провинции Онтарио (Канада), установлены значимые корреляционные связи между основными морфометрическими характеристиками;

в) Впервые для областей распространения последнего покровного оледенения Европы и Северной Америки предпринят анализ морфометрических характеристик озерных котловин и установлены связи этих характеристик с гидрологическими и эколимнологическими параметрами водоемов;

г) Для исследованных озер северо-запада России впервые выявлены значимые статистические связи между средними глубинами, гидрофизическими и метеорологическими характеристиками;

д) На примере озер Водлозерского Национального парка (Карелия) выявлены устойчивые статистические связи между морфометрией котловин и некоторыми гидорофизическими и гидробиологическими параметрами. Теоретическая значимость работы состоит в том, что выявление зависимостей между морфометрическими параметрами озер открывает пути совершенствования методов оценки ресурсов пресных вод на Земле, планирования и оптимизации использования природных вод. Определение критериев связей между качеством пресных вод в озерах и их морфометрическими характеристиками позволяет расширить масштабы геоэкологической оценки недостаточно изученных водоемов на основе их морфометрических данных.

Практическая значимость работы

В настоящее время установлено, что ландшафтные и морфометрические характеристики озер в определенной мере предопределяют экологические особенности водоемов, их современный трофический статус. Зная площадь, максимальную и среднюю глубины, можно моделировать форму котловины озера, по картографическим материалам - определить длину и изрезанность

8

береговой линии, озерность территории и ряд других параметров и их соотношений. Кроме того, используя методы дистанционного зондирования и аэрокосмической техники можно определить прозрачность, температуру воды, содержание хлорофилла и другие параметры водоемов в различные сезоны года [19].

Выполненные исследования являются первым этапом по практическому применению создаваемой в Институте озероведения РАН базы данных, на основе которых отрабатываются методики унификации, обработки и анализа имеющихся массивов для оценки современного состояния озерных водоемов. Проведенные расчеты позволяют выявить особенности формирования гидрофизического режима озер в зависимости от морфометрических характеристик и способствовать оценке экологического состояния водоемов.

Личный вклад автора заключаются в систематизации, обобщении и анализе большого массива морфометрических данных по озерам мира, выявлении статистически значимых связей между определенными параметрами озер. Автор принимал участие на этапах исследования от постановки задач и определения методов исследования до обсуждения и формулирования выводов. Определенное количество данных получено автором в совместных экспедиционных исследованиях кафедры физической и эволюционной географии Факультета географии и геоэкологии СПбГУ и лаборатории гидрологии Института озероведения РАН. Апробация работы и публикации

Материалы исследований автора были использованы при выполнении проекта № 2256 Программы "Университеты России", а также гранта РФФИ 01-05-65163.

Результаты диссертационной работы представлены в восьми публикациях автора. Основные положения работы доложены на трех международных конференциях: Ш-й Международной междисциплинарной конференции "Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы" (Санкт-

Петербург, 2001), И-й Международной научно-практической конференции "Туризм и региональное развитие" (Смоленск, 2002), IV-м Международном симпозиуме по проблемам Ладожского озера. (Великий Новгород, 2002). Материалы диссертации обсуждались на совместном заседании комиссий палеолимнологии и географии горных стран Русского географического общества. Работа доложена на совместном заседании кафедры физической и эволюционной географии и кафедры страноведения и международного туризма Факультета географии и геоэкологии СПбГУ.

В таблице 1 приведены основные обозначения и сокращения использованные в диссертации.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить за помощь и поддержку в выполнении данной работы профессора СПбГУ Д.В. Севастьянова и ведущего научного сотрудника Института озероведения д.г.н. СВ. Рянжина за возможность воспользоваться базой данных WORLDLAKE, д.г.н. М.А. Науменко (Институт озероведения РАН) за ценные научные консультации. Автор благодарит также коллег - участников экспедиций "Илекса 2000", "Кенозерье 2001" за помощь в получении натурных данных, сотрудников Института озероведения к.г.н. С.Г. Каретникова, В.В. Гузиватого, к.г.н. И.Н. Сорокина за поддержку, помощь и советы по теме диссертации. Особую благодарность за оказанную методическую помощь автор выражает д-ру Р. Лаугуст (Эстонская Академия наук).

10

Таблица 1 — Исследуемые характеристики озер и обозначения, принятые в работе

Характеристика Обозначение

А площадь зеркала озера (км"1);

HavirVIA, Hmax средняя и максимальная глубины озера (м);

tl avgf I~l max коэффициент «емкости» или «формы» озерной котловины;

V=AHmax объем озера (км3);

w w ' » ' ' max ширина и максимальная ширина озера (км);

С площадь водосбора озера (км2);

L длина озера (м);

LIW показатель удлиненности озера;

L длина береговой линии озера (м);

A/Havg показатель «открытости» озера (км);

RT=V/O время условного водообмена (год, мес)

коэффициент изрезанности береговой линии озера;

cc=HaVKIAm коэффициент «глубинности» озера;

AC=C/A Удельный водосбор озера;

0 суммарный годовой сток в озеро (км3/год);

'вод » 'возд температура воды и воздуха (°С);

Zasl высота озера над уровнем моря (м);

R коэффициент линейной парной корреляции;

Ax) гипсометрическая кривая озера;

географические широта и долгота (град);

n длина выборки (количество точек);

11

Продолжение таблицы 1 — Исследуемые характеристики озер и обозначения,

принятые в работе

Характеристика Обозначение

В фито, ^зоо Биомасса фито- и зоопланктона в озере (г/м3);

В-зоаМфито отношение биомасс зоо- и фитопланктона в озере;

^орг концентрация органического углерода в озере (мг/л);

Цв Цветность озерной воды (град);

Chi концентрация хлорофилла "а" в озере (мг/л);

¦"»аммон "нитрит концентрация аммонийного и нитритного азота в озере (мг/л);

' MUHf *общ концентрация минерального и общего фосфора в озере (мг/л);

**фито '*-зоо видовое разнообразие фито- и зоопланктона;

'фито » *зоо численность фито- и зоопланктона в озере (тыс. экз./м3);

12

1 Пресные озера: запасы воды, уровень трофии и происхождение

1.1 Запасы вод пресных озер различных регионов

Формирование, перемещение и трансформация вод и связанное с ними перемешивание, распределение и преобразование элементов, содержащихся в земной коре, а, следовательно и условия жизни в водоемах и на суше, определяются, в первую очередь, процессом стока, охватывающим все водные объекты земного шара [20 - 22].

Большая часть вод нашей планеты - 96.5% является соленой, пресной воды законсервированной в ледниках и постоянных снегах - 1.74%, реки -0.0002% и 0.007% пресных вод приходится на озера (табл. 1.1). Первые сведения о количестве воды и ее круговороте на Земле содержатся еще у французского естествоиспытателя XYIII в. Ж. Бюффона (1749). Пресная вода с древнейших времен и до наших дней выступает в роли одного из важнейших компонентов цивилизации, без которого невозможно ее существование и развитие. Значение пресной воды как неотъемлемого компонента общества, его жизненно важного природного ресурса с развитием цивилизации постоянно возрастало. В прошлом исследования этой проблемы имели в значительной мере познавательный характер. В наши дни высокие масштабы водопотребления и водопользования привели к возникновению дефицита пресных ресурсов; конфликты, связанные с недостатком пресных вод, стали широко распространенными среди водопользователей. По прогнозам ООН и ЮНЕСКО проблема будет осложняться с каждым годом. Нерациональное использование водных ресурсов и слабое управление ими часто стали приводить к истощению водных источников, сокращению площади внутренних озер.

13

Оценки водных ресурсов, гидрологического режима водных объектов, в различных пространственно-временных масштабах необходимы для планирования использования природных вод, определения водообеспеченности различных территорий, управления водохозяйственными комплексами и др. Для успешного решения этих задач требуется совершенствование методов оценки ресурсов поверхностных вод и их режима как в условиях антропогенного воздействия, так и при глобальных и региональных изменениях климата. На решение проблемы эффективного управления водными ресурсами будут направлены исследования в рамках шестой фазы Международной Гидрологической программы (МГП) ЮНЕСКО, реализация которой предусмотрена в 2002-2007 гг. [23, 24].

Однако современные оценки запасов пресной воды, большая часть которых сосредоточена в озерах и реках, в глобальном, континентальном и региональном масштабах весьма приблизительны и отличаются у различных исследователей [25-31]. В табл. 1.1 приведены данные о запасах пресных вод на нашей планете.

Говорить о водных ресурсах какого-либо региона, особенно промышленно развитого, понимая под этим только среднемноголетние значение годового стока рек, недостаточно. Введено понятие

Таблица 1.1 — Мировые запасы пресной воды [31]

Вид воды Объем, тыс. км Доля в мировых запасах от общих запасов воды, % Доля в мировых запасах от запасов пресных вод, %

Пресные воды озер Воды рек Ледники и постоянные снега Общие запасы пресной воды 91 2.1 24064 35029.2 0.007 0.0002 1.74 2.53 0.26 0.006 68.7 100

14

"экологический сток", т.е. то количество воды, которое должно оставаться в реке для обеспечения условий существования гидробионтов с одновременным сохранением ее необходимого качества. Под "водными ресурсами" необходимо понимать то количество воды, которое используется или может быть использовано для нужд человека без ущерба для экологии водного объекта [32].

При относительно небольшом числе крупных озер их значение по запасам, заключенной в них воды огромно. Суммарный объем воды, заключенный в чаше всех озер бывшего СССР (за исключением Каспийского моря), превосходит его величину в руслах рек почти в 60 раз и составляет около 28 тыс. км . При этом на долю крупнейших озер приходится более 97% общего объема озерных вод, причем 82% этого количества находится в чаше оз. Байкал [33].

Запасы пресной воды определялись по крупномасштабным картам путем планиметрирования озер и водотоков, что безусловно приводило к разночтению в зависимости от масштаба карты и методики определения. Сводку о более чем 30 тыс. озер приводит СВ. Рянжин [18], указывая, что многие морфометрические характеристики не удовлетворяют современным требованиям исследований водных ресурсов.

С. Хердендорф [34,35] оценил объемы крупных озер мира с площадями более 500 км2, однако и он указывал на неудовлетворительную точность определения объемов воды этих озер.

П.В. Иванов [36] расклассифицировал озера мира по величине и средней глубине, при этом исследователем использовалась традиционная технология определения объема озер по типам котловины.

В настоящее время все большее значение приобретают географические информационные системы (ГИС), позволяющие корректно и единообразно проводить оценку запасов вод Земного шара. С помощью современных компьютерных методов создаются цифровые батиметрические модели, озер

15

для определения их объема и других морфометрических характеристик, для получения зависимостей уровень-глубина, запасов воды. Такие модели созданы для крупнейших озер Европы -Ладожского и Онежского [37, 38].

Гис-технологии являются новым перспективным направлением в оценке количества пресной воды на Земле. Создана ГИС озер Северо-Запада России [39]. Важным этапом явилось обновление каталога озер и рек Карелии, выполненное на современной основе не только в виде публикации, но и в электронном виде [40]. На территории Северо-Запада России расположено около 250 тыс. озер, в том числе более 30 тыс. с площадями зеркала более 1 км2, в которых сосредоточено свыше 95% водных ресурсов [41].

Л. Хакансон [42, 43] разработал новый метод, позволяющий с помощью относительной гипсометрической кривой, характеризовать распределение площадей и объемов водной массы по глубине, не базируясь на причислении формы котловины реального озера к какой-либо геометрической фигуре, как это делал С.Д. Муравейский [44].

Внешний и внутренний водообмен озер, является одним из основных природных факторов, определяющих эволюцию лимнических экосистем и их современное состояние [3]. Водный баланс отражает совокупное воздействие всех факторов, влияющих на колебание объема вод в озере. Изменение водной массы водоема, обусловлено периодическими и циклическими колебаниями климата, а так же антропогенной деятельностью на самом озере или его ¦ водосборе. Уровенный режим озер является интегральным показателем состояния и изменчивости их водного баланса [45 - 47].

Водные ресурсы водоема меняются в соответствии с изменением воздействующих на него природных условий. На озера влияют зональные и азональные факторы природной среды, поэтому водоемы нельзя рассматривать в отрыве от климатических и геолого-геоморфологических особенностей окружающих ландшафтов. Особенностью современного этапа исследования озер является усиление внимания изучению их экологического

16

состояния. По мнению СВ. Вуглинского [24], эта тенденция сохраниться и в будущем, что потребует более тесного объединения гидрологов и представителей других специальностей (гидрохимиков, гидробиологов, геоэкологов).

Изменения водного баланса по территории связаны с географической зональностью. Внутри каждой зоны соотношения составляющих водного баланса изменяется в зависимости от морфометрических особенностей озера и его бассейна. Б.Б. Богословский [48] увязывает колебания уровня с морфометрическими показателями озер и их бассейнов. З.А. Викулина [33] отмечает, что для малых озер, расположенных даже в пределах одной физико-географической провинции, характерна значительная пестрота в отношении составляющих их водного баланса, что зависит от разных причин, но главным образом, по мнению исследователя, от размеров водосбора и глубины вреза озерной чаши. Н.В. Мякишева [41] указывает, что динамическую устойчивость уровенного режима озер Северо-Запада России можно охарактеризовать двумя факторами - коэффициентом внешнего водообмена и широтным расположением озер.

Таким образом, исследование морфометрических особенностей озерных котловин, а так же определение зависимостей между морфометрическими параметрами озер, важно и актуально для уточнения мировых объемов пресных вод и решения проблем рационального использования природных ресурсов озер.

1.2. Озера как результат взаимодействия рельефа и климата

Исследователи рассматривают озеро как следствие взаимодействия рельефа и климата, которые создают озерную котловину и содержащуюся в ней водную массу. Чтобы в данной местности возникло озеро, необходимо

17

Список литературы