3.4. Проникновение света и прозрачность воды

Влияние проникающей в воду солнечной радиации на экосистему водоема обусловлено тем, что свет представляет собой важнейший фактор первичного продуцирования водоемов. Средние значения приходящей к поверхности водоема солнечной радиации полностью определяются географической широтой расположения водоема. Также как и для температуры воды существует значимая корреляция между первичной продуктивностью континентальных водоемов и количеством солнечной радиации, поступающей на поверхность водоема [Doty, 1959]. Более продуктивные водоемы характеризуются более высокими значениями эффективности усвоения радиации (отношение валовой первичной продукции водоема к годовому поступлению фотосинтетически активной радиации), что подтверждается наличием тесной связи между этими показателями [Brilinsky, Mann, 1973 ].

Если в отношении поступающей на поверхность радиации не существует каких-либо различий для типов водоемов, то проникновение радиации в воду уже существенно зависит от состава воды водоемов и, прежде всего, от содержания в нем взвешенных веществ. Изменение радиации с глубиной подчиняется экспоненциальному закону Ламберта-Бэра и зависит от величины коэффициента экстинкции. Этот коэффициент, определяющий степень поглощения и рассеивания радиации в воде, в свою очередь, зависит от содержания взвешенных частиц в воде водоема, т.е. от величины мутности воды. В этом отношении различия озер и водохранилищ проявляются достаточно отчетливо. Первой причиной различий в мутности воды выступают различия в географическом положении водоемов. Доминирующие в аридных областях водохранилища, имеют водосбор с более высокой активностью эрозионных процессов, поэтому для них характерны более высокие значения мутности питающих их вод и, соответственно, более высокие значения мутности водных масс самих водохранилищ. Это различие вызывает существенные проблемы в использовании одного из самых распространенных показателей трофического состояния вод – величины прозрачности по диску Секки. Наличие в водах большого количества минеральных взвесей вынуждает искать методы отдельной оценки, так называемой, нефитопланктонной мутности для возможного применения этого показателя к водоемам с высокой мутностью.

При математическом моделировании водных экосистем используются различные зависимости продукции фотосинтеза фитопланктона от проникновения света в водную массу. Важнейший эмпирический параметр этих зависимостей - коэффициент ослабления света или связанная с ним величина прозрачности воды по диску Секки. Литература, посвященная зависимости этих параметров от ряда характеристик водоема, в частности цветности воды, общего количества взвеси, биомассы фито- и зоопланктона, содержания хлорофилла, достаточно обширна. Однако, обзоры подобных зависимостей и функций, показывают значительный разброс в эмпирических оценках для различных водоемов [Platt et al., 1977, Паутова и др. 1982, Пырина, 1995]. Наиболее надежным путем оценки связи оптических параметров с характеристиками водоема при моделировании развития водорослей в каком-либо конкретном водоеме представляется получение эмпирических зависимостей по данным наблюдений именно на этом водоеме.

Непосредственное измерение коэффициента ослабления света в воде водоема проводится редко из-за достаточно сложной и разнообразной техники таких измерений. Величина же прозрачности воды по диску Секки входит в практику стандартных гидрологических и гидробиологических наблюдений на водоемах и по этому параметру обычно имеется массовый материал наблюдений.

Ослабление света происходит за счет растворенного органического вещества, взвешенного неорганического и органического вещества, а также за счет самой воды. Известны зависимости прозрачности воды от ее цветности [Candfield, Hodqson, 1983], общего количества взвесей [Бульон, 1983, Stefan et al., 1983], установлены зависимости прозрачности воды от содержания в воде хлорофилла "а" [Баранов, 1979, Бульон, 1983]. Значительно реже встречаются оценки зависимости прозрачности воды от биомассы фитопланктона, что связано с трудоемкостью определения биомассы и, следовательно, отсутствием надежного эмпирического материала. Применение последних зависимостей базируется на предположении, что количество минеральной взвеси, детрита, растворенного органического вещества в воде водоема невелико и достаточно стабильно, следовательно, колебание прозрачности воды в основном связаны с изменениями количества фитопланктона.

Как показывают режимные наблюдения, в водохранилищах это может быть справедливо лишь для определенных периодов и участков. Так, например, в долинных водохранилищах умеренной зоны предположение о стабильности других, кроме биомассы фитопланктона, факторов ослабления света может быть допустимо лишь для среднего и приплотинного участков и начиная с июня, когда минеральная взвесь вод половодья практически полностью оседает в водоеме. В то же время именно эти участки водохранилища и этот период представляет наибольший интерес при моделировании процессов функционирования экосистемы водоема. Поэтому получение таких эмпирических зависимостей следует рассматривать важным этапом построения модели.

Особенности зависимости прозрачности воды по диску Секки от биомассы фитопланктона в типичном водохранилище умеренной зоны иллюстрируют наблюдения, проведенные на Можайском водохранилище в течение летнего периода 1984 г., когда в течение всего безледного периода синхронно измерялась прозрачность и биомасса фитопланктона.

Наблюдения за фитопланктоном проводились в трех пунктах водохранилища: в верхнем его участке (д.Горки), в среднем (д.Красновидово) и в приплотинном участке. Частота отбора проб воды колебалась от 2 (в верхнем и приплотинном участке) до 4 раз в месяц (в среднем участке) за период с мая по сентябрь. Биомасса фитопланктона определялась по численности водорослей умножением на средний вес каждого вида фитопланктона1 . Прозрачность воды измерялась в те же сроки и на тех же станциях, где отбирались пробы воды. В 1984 г. наблюдалось интенсивное развитие планктона, поэтому биомасса фитопланктона колебалась в большом диапазоне. Также велик был и диапазон величин прозрачности воды, который при многочисленных наблюдениях в последующие годы почти не превышался. Сопоставление данных о прозрачности и биомассе показало, что в мае месяце, а в верхнем участке водохранилища и в течение всего летнего периода, зависимость между этими величинами отсутствовала. Это связано с наличием в воде водохранилища минеральной взвеси, приносимой притоками, а в верхнем относительно мелководном участке еще из-за возможного взмучивания донных отложений во время штормовой погоды.

Наибольшая прозрачность в нижнем и среднем участках водохранилища наблюдалась в июне месяце, когда цветение водоема практически отсутствовало. В июле и августе с увеличением биомассы водорослей в воде водохранилища прозрачность воды плавно падала, достигнув самых низких значений в конце августа. Эта зависимость может быть аппроксимирована уравнением





где SD - величина прозрачности воды в м, B - биомасса водорослей в мг/л.

Получить подобную связь можно также косвенно, используя зависимости прозрачности от содержания хлорофилла "а" и связь хлорофилла "а" с биомассой водорослей. Проведенный нами такой расчет с использованием зависимостей



[Бульон. 1993]] и





[OECD..., 1981]


приводит к зависимости прозрачности от биомассы





довольно близкой к полученной нами. Кривая зависимости прозрачности от биомассы для Можайского водохранилища и полученная по эмпирическим формулам расчетная кривая представлены на рис. 3.17





Рис. 3.17. Зависимость прозрачности от биомассы водорослей в Можайском водохранилище по расчетам (пунктирная линия) и по наблюдениям (сплошная линия и точки) .


Расчетная кривая расположена несколько выше наблюденной, причем в области низких значений биомассы эти различия более существенны. По-видимому, в этом проявилась одна из особенностей режима взвешенного вещества водохранилищ – более высокое чем в озерах содержание минеральных, не связанных с развитием фитопланктона, взвесей. При слабом развитии фитопланктона прозрачность в Можайском водохранилище оказалась ниже расчетной по формулам, выведенным по озерным данным.

Полученную по материалам наблюдений зависимость прозрачности и биомассы водорослей вполне можно использовать при математическом моделировании экосистемы этого водоема для ориентировочной оценки биомассы фитопланктона в летний период по данным о прозрачности воды. Для этого достаточно провести расчеты по обратной зависимости – биомассы от прозрачности





Эта формула была верифицирована по данным наблюдений за прозрачностью и биомассой водорослей в москворецких водохранилищах летом 2000г. Результаты расчета биомассы фитопланктона, приведенные в табл. 3.3, показывают наличие тесной связи между рассчитанными и измеренными значениями биомассы.


Таблица 3.3.

Измеренные и рассчитанные по прозрачности воды значения биомассы фитопланктона в москворецких водохранилищах по данным гидролого-гидрохимических съемок 2000г.







Водохранилище

Прозрачность, м

Биомасса рассчитанная, мг/л

Биомасса измеренная, мг/л

Истринское

1.2

18.4

23.6

1.1

21.7

28.3

1.0

26.0

22.0

0.8

39.6

42.5

0.7

51.0

42.6

Рузское

1.4

13.8

4.0

2.1

6.4

3.4

2.3

5.4

4.2

2.05

6.7

7.2

1.2

18.4

25.6

Озернинское

2.6

4.3

9.5

1.5

12.1

12.7

1.5

12.1

8.3

1.4

13.8

9.0

1.1

21.7

14.3









Наиболее полная информация об условиях освещения, при которых протекает процесс фотосинтеза в водоеме, может быть получена непосредственными измерениями фотосинтетически активной радиации с помощью подводных пиранометров. К сожалению, такие измерения пока очень редки из-за сложности аппаратуры и трудоемкости полевых измерений. Обычно, в работах, направленных на оценку уровня первичного продуцирования в водоемах, влияние светового фактора описывается расчетными зависимостями, опирающимися на простые измерения прозрачности воды.