Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Мониторинг состояния Саяно-Шушенского водохранилища требует учета региональной специфики, обусловленный условиями развития и факторами их образования. Масштабная трансформация ландшафтов в степной зоне Тувы произошла с вводом в эксплуатацию Саяно-Шушенской ГЭС. Предлагаем подходы для совершенствования экологического мониторинга на примере зоны затопления Саяно-Шушенского водохранилища.

Общая протяженность водохранилища составляет 312 км, площадь водного зеркала - 621 км², общий объем воды - 31,3 км³. При наполнении водохранилища на территории республики была затоплена площадь в 231,4 км². В зоне влияния водохранилища произошли коренные изменения ландшафтной структуры, с затоплением базисной части долинного комплекса Енисея и образованием значительной полосы временного затопления. Так, озеровидное расширение Саяно-Шушенского водохранилища, расположенное в пределах Тувы, значительно повлияло на природные и хозяйственные условия затапливаемой территории, а также территории, непосредственно примыкающей к водоему, что повлекло за собой возникновение ряда экологических проблем.

Целью данной работы является экологический мониторинг экосистем Саяно-Шушенского водохранилища в степной зоне Тувы.

Материалы и методы работы

Объект исследования расположен в Чаа-Хольской и Торгалыг-Шагонарской впадинах Улуг-Хемской котловины Тувы (рис. 1). Абсолютные высоты дна котловины составляют 515-630 м, длина котловины - около 170 км при ширине 30-60 км [12].

Рис. 1. Карта-схема района исследования.

В геологическом строении площади принимают участие метаморфические и осадочные породы нижнего и верхнего кембрия, ордовика, силура, девона, карбона, средней юры, а также четвертичные отложения [5].

Климат резко континентальный с холодной продолжительной зимой, жарким и коротким летом. Определяется положением Тувы в центре Азии, значительным удалением от океанов, сложной орографией Западного Саяна, влиянием Сибирского антициклона и особенностями атмосферной циркуляции. После наполнения водохранилища произошли микроклиматические изменения, наиболее проявившиеся в районах, прилегающих к акватории [10]. Влияние водохранилища на изменение температуры воздуха проявляется в зоне 2-5 км. При удалении от указанной зоны влияние ослабевает.

Отбор проб на определение бактериологического состояния водоема (2002-2008 гг.) проводилось в акватории водоема на участках: верхний (Шагонар - устье р. Демир-Суг), средний (урочище Алды-Хову - устье р. Эйлиг-Хем), нижний (устье реки Орта-Хем перед входом в каньон).

Бактериологические пробы отбирались в мониторинговых точках параллельно с гидрохимическим опробованием, выше и ниже сброса сточных вод г. Шагонар и в мелководных левобережных заливах - Чаа-Хольском и Шагонарском, где вероятно развитие паразитарных инвазий.

В гидрохимических пробах воды определялись органолептические свойства, гидрохимические показатели, жесткость общая, карбонатная и некарбонатная, двуокись кремния, окисляемость перманганатная, сухой остаток теоретический, водородный показатель рН, минерализация, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, анионные поверхностно-активные вещества (АПАВ), биохимическое потребление кислорода (БПК₅), растворенный кислород, мышьяк, ртуть, взвешенные вещества.

Бактериологический анализ включал определение общего микробного числа, общих колиформных, термотолерантных колиформных бактерий, колифагов. В ряде проб также определялись энтерококки, споры сульфитредуцирующих клостридий, эмбрионы особо опасных инфекций - холеры и сибирской язвы.

Полевые и лабораторные анализы почв района исследования выполнялись общепринятыми методами: гранулометрический состав почв определяли по Качинскому, валовое содержание органического вещества по Тюрину, содержание карбонатов определяли по Голубеву, поглощенный Са и Mg в карбонатных образцах - вытеснением натрием по Иванову, водно-физические свойства почв по общепринятым методам [1; 2]. Химический анализ почв на содержание тяжелых металлов проводился сотрудниками ФГУ ГС АС «Тувинская».

Исследования растительного покрова, видового состава и структуры сообществ, динамики запасов фитомассы проводились в сезон 2001-2010 гг. по общепринятым методикам геоботанических описаний [3; 16]. Для определения надземной фитомассы на каждом участке закладывалось случайным образом 8 экспериментальных площадок [15]. Для определения подземной фитомассы в середине каждой площадки отбирали почвенные монолиты поверхностью 10 см², длиной 10 см, объемом 1 дм³. Глубина отбора монолитов - 0-10 и 10-20 см. Подземную фитомассу отмывали от почвы методом декантации с применением сита с отверстием 0,3 мм, растительный материал собирался на сите. Всю надземную и подземную фитомассу высушивали 24 ч при 80 °С и взвешивали. Запасы всех компонентов выражали в граммах на квадратный метр.

Уровень развития современных геоинформационных технологий позволяет осуществлять ввод разноуровневой пространственной информации, формирование соответствующих баз данных, создание исходных показателей, компьютерную обработку данных, интерактивный анализ и построение карт в среде ArcView GIS, вывод на печать тематических карт. Использовалась топографическая основа крупного масштаба, стандартный набор слоев включал: реки, озера, рельеф, отметки высот, растительный покров.

Результаты и их обсуждение

Гидрохимия. Саяно-Шушенское водохранилище - водоем годичного регулирования поступающего стока, где происходит ежегодная смена объема воды в резервуаре.

Ретроспективный анализ материала по гидрохимическому составу вод в пределах водохранилища показал, что минерализация остается стабильной и находится в пределах 0,10-0,18 г/л. По химическому составу воды гидрокарбонатные смешанного катионного состава и гидрокарбонатные, хлоридно-гидрокарбонатные натриево-кальциевые. Воды мягкие, общая жесткость практически равна карбонатной и колеблется в пределах 1,25-1,65 мг-экв/л. Среда от нейтральной до слабощелочной, рН в интервале 6,95-8,5. Содержание макрокомпонентов (анионов и катионов), нитратов (NO₃) и нитритов (NO₂) находится в пределах требований для вод рыбохозяйственных водоемов. Повышенное содержание железа общего (до 1 ПДК) отмечалось в 2011 году. В остальные периоды обследования железо не превышает ПДК и содержится в пределах 0,03-0,095 мг/л.

Содержание таких тяжелых металлов, как цинк, свинец, кадмий, кобальт, хром, не превышает ПДК для вод рыбохозяйственных водоемов. Отмечено повышенное содержание марганца в 2006 г. (1 ПДК) в верхнем створе водоема (единичное превышение). В 2010 г. в верхнем створе также отмечено повышенное содержание никеля - 0,0134 мг/л (1,34 ПДК) - единичное превышение за все годы обследования. Во все годы исследования зафиксировано содержание ионов меди от 0,001 до 0,0078 мг/л, что составляет 1-7,8 ПДК для вод рыбохозяйственных водоемов. Повышенное содержание ионов меди в водах водоема, очевидно, имеет природный характер и может объясняться контактом поверхностных вод верховий Енисея с медьсодержащими породами и рудами таких крупных месторождений.

Сменой объема воды в резервуаре объясняются заметные различия в данных по содержанию нефтепродуктов, фенолов, анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ) в разные годы. Так, до 2003 года наблюдалось стабильное загрязнение водоема нефтепродуктами (0,064-0,24 мг/л), что составляет 1,28-4,8 ПДК для вод рыбохозяйственных водоемов. В 2006-2011 г. содержание нефтепродуктов обнаруживается в пределах от менее 0,005 до 0,014 мг/л, что соответствует норме.  

Повышенное количество фенолов может быть связано с гниением затопленной древесины, что вообще характерно для водохранилищ. Содержание АПАВ, мышьяка, ртути за весь период обследования определяется на пределе чувствительности прибора (<0,025 мг/л, <0,005 мг/л и <0,0002 мг/л соответственно) и не превышает ПДК для вод рыбохозяйственных водоемов.

В 2011 г. выявили превышение содержания общих колиформных бактерий во всех мониторинговых точках опробования от 4,8 до 5,8 ПДК. Превышение содержания термотолерантных колиформных бактерий отмечено в нижней (9,3 ПДК) и верхней (1,9 ПДК) частях водохранилища.

Почвы. Почвенный покров в районе водохранилища представлен в основном степными почвами, которые являются зональными, и почвами речных долин, заболоченных урочищ, которые относятся к группе интразональных почв.

Характер почвообразующих пород, наряду с климатическими особенностями, обусловил неодинаковую дифференциацию профиля почв на генетические горизонты. Сильнощебнистые почвы, сформированные на делювиально-пролювиальных и аллювиально-пролювиальных щебнистых отложениях, песках при малой мощности, характеризуются слабой дифференциацией на горизонты. У песчаных почв на слабо закрепленных песках весь профиль однороден, генетические горизонты не выделяются.

Наиболее ксероморфными почвами в районе водохранилища являются почвы, названные В.А. Носиным (1963) бурыми пустынно-степными. Они распространены ограниченно на подгорных шлейфах, примыкающих к водохранилищу с северо-запада. Характеризуются щебнистостью всего профиля, усиливающейся с глубиной, слабой дифференциацией на горизонты, присутствием карбонатов по всему профилю.

Наиболее плодородными почвами в районе водохранилища являются черноземы, которые представлены обыкновенным и южным подтипами. В силу специфики климатических условий в этом районе черноземы распространены ограниченно, на шлейфах и конусах выноса. Горные черноземы встречаются на теневых склонах низкогорных массивов и останцов. Представлены в основном маломощные и среднемощные малогумусные виды черноземов, в горах - маломощные и укороченные малогумусные. Черноземы с полным профилем, развитые на однородных суглинистых отложениях. Укороченный профиль отмечается у черноземов, сформированных на валунно-галечниковых отложениях конусов выноса, у горных черноземов, и обычно представлен гумусовым, переходным и карбонатным горизонтами.

Содержание органического вещества в каштановых почвах варьирует в пределах от 0,4 до 3,71%. Обеспеченность каштановых почв азотом высокая, его валовое содержание колеблется от 0,02 до 0,35, а распределение по профилю коррелирует с гумусом. Содержание карбонатов в каштановых почвах варьирует в широких пределах, глубина залегания горизонта карбонатной аккумуляции варьирует от 0 см (поверхности) до 30-40 см.

Содержание микроэлементов в профиле каштановых почв представлено таблице 1.

Таблица 1 - Содержание микроэлементов в почвах

Лугово-болотные почвы, развивающиеся в условиях переменного избыточного увлажнения, имеют характерный гидроморфный морфологический профиль с ясно выраженной дифференциацией на горизонты и подгоризонты. Часто в пределах профиля отмечается вода.

Наиболее сильное, хоть и пространственно ограниченное, трансформирующее воздействие оказывает само водохранилище. Ежегодное наполнение ложа водохранилища способствовало периодическому переводу автоморфных и гидроморфных почв долины Улуг-Хема и низовий р. Чаа-Холь и Шагонар в категорию сезонно длительно затапливаемых или подтапливаемых. Проводимые в течение последних нескольких лет исследования показали, что эксплуатация водохранилища способствовала существенной трансформации каштановых суглинистых почв долин Чаа-Холя и Шагонара, конусов выноса и шлейфов, а также аллювиальных и лугово-болотных почв долин рек [6]. Ведущим процессом трансформации выступает смена гидрологического режима, который влечет за собой последующие изменения. Часть гидроморфных почв полностью затапливается, другая трансформируется в переувлажненные, а автоморфные - в полугидроморфные и гидроморфные.

Растительность. Для изучения происходящих изменений в растительном покрове в зоне затопления Улуг-Хемской котловины нами были использованы описания растительного покрова, проведенные до затопления в 1977 г. Т.В. Мальцевой (1982) и после затопления с 1987 по 1991 г. - Н.П. Миронычевой-Токаревой (1997). С 2001 по 2010 г. геоботанические описания и анализ состава ценофлор района исследования проводились нами на 5 ключевых участках.

Структура травостоя и видовой состав экосистем зависит от их использования и режима. Несмотря на то что четвертый и пятый исследуемые участки одинаково подтапливаются с июля по октябрь и расположены ниже отметки 540 м, однако сукцессия на этих участках шла по-разному. Так, в волоснецово-чиевых сухих степях четвертого участка на почвах легкого гранулометрического состава сукцессия идет по линии мезофитизации и засорения с изреживанием травостоя. Угнетенные и низкорослые растения затапливаются водой. Здесь степь уступила место лугам. На более сухих участках после сильного выпаса и распашки внедрилась Сannabis ruderalis.

Разнообразные естественные фитоценозы степных, луговых экосистем уже с первого года заливания водохранилища исчезают или замещаются бедными в видовом составе сообществами, а лугово-болотная растительность - группировками однообразных, но меняющихся по годам сорных видов.

Влияние водохранилища на динамику растительности отразилось в изменении исходной растительности со сменой сообществ и соответственно видового состава. Так, до затопления четыре из пяти участков были степные, после затопления два исходных сообщества заместились сорняковыми зарослями, третий - луговым сообществом, четвертый - заболоченным лугом.

В результате воздействия водохранилища изменился не только видовой состав растительности, но и структура экологических групп (табл. 2).

Таблица 2 - Динамика экологических групп растений исследуемых участков (число видов на 500 м²)

На первой стадии затопления в растительном покрове исследуемых участков, кроме сенокосного луга, произошло резкое снижение количества ксеромезофитов и ксерофитов, удвоение числа мезофитов, гигрофитов и сорных видов, к 2010 г. количество мезофитов повысилось с 16 до 28, сорных с 13 до 27 видов. Численность мезоксерофитов остается почти такой же. Итак, с вводом в эксплуатацию Саяно-Шушенской ГЭС в травяных экосистемах Улуг-Хемской котловины произошли коренные изменения со сдвигом видового состава растительности в сторону резкого увеличения количества мезоксерофитов, мезофитов, гигрофитов и сорных видов, уменьшения количества ксерофитов и ксеромезофитов. Невзирая на то что сенокосные луга не затапливались, в зоне влияния водохранилища происходит повсеместная мезофитизация и засорение растительности, хотя до затопления четыре из пяти ключевых участков были степными с широким набором ксерофитов.

Общие запасы растительного вещества в исследуемых участках увеличиваются в ряду «степь - луг». Исключение составляют сезонно подтопляемые сорняковые заросли четвертого участка под сильным выпасом, где характерны минимальные запасы фитомассы. Для всех травяных экосистем запасы растительного вещества в почве превалируют над надземными запасами, а также все еще велика доля живых корней. Максимальные величины зеленой фитомассы отмечаются в центральной пойме Енисея на подтопляемом втором участке за счет мощных надземных органов Cannabis ruderalis. Запасы живых подземных органов высоки на незаливаемом сенокосном лугу. Минимальные запасы всех компонентов растительного вещества надземных и подземных органов на ежегодно длительно подтопляемом и сильно выпасаемом четвертом участке. При заболачивании мертвые остатки, образовавшиеся при отмирании болотных растений, длительное время сохраняются в почве, как на пятом участке. На лугах по мере разложения количество их уменьшается.

Орнитофауна. В период весенней миграции уровень водохранилища в результате сработки становится минимальным и водохранилище не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на ход и массовость весеннего пролета водоплавающих и околоводных птиц. Видам, относящимся к другим экологическим группам, мигрирующим к местам гнездования через Тувинскую котловину, приходится пересекать этот район без остановок или миновать его другими путями ввиду отсутствия подходящих для отдыха и кормежки биотопов. Положительное влияние функционирования водохранилища сказывается только в период осеннего пролета, когда с повышением уровня значительно увеличивается площадь зеркала. В этот период оно используется для отдыха многими мигрирующими водоплавающими и околоводными видами птиц, однако трофическая роль водохранилища остается низкой.

Для населения птиц днища Саяно-Шушенского водохранилища характерна общая тривиализация фауны и полное отсутствие птиц на различных участках этого района. Одним из видов-индикаторов деградации и опустынивания территории днища водохранилища служит типично пустынный вид - саджа. Присутствие же большого количества водоплавающих, в частности большого баклана, на разливах р. Енисей в миграционный период свидетельствует об относительно благополучной обстановке для отдыха и наличии достаточной кормовой базы, особенно для рыбоядных птиц.

Геоинформационные системы. Сопровождение исследовательских работ заключалось в создании единой информационной среды, обеспечивающей доступ к разнородным и разномасштабным топографическим, гидрохимическим и тематическим данным, их обработке с учетом конкретной задачи оценки водного объекта. Сформирована информационная среда, представляющая систематизированный свод сведений, отражающий состояние различных показателей окружающей среды, в том числе почвенно-растительного покрова, поверхностных вод, радиационной обстановки и др.

Заключение

Результаты проведенных исследований в Улуг-Хемской котловине Тувы в зоне затопления Саяно-Шушенского водохранилища показали, что воды озеровидной части Саяно-Шушенского водохранилища по бактериологическим показателям не соответствуют СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод».

Почвенный покров территорий, прилегающих к водохранилищу подвержен нарушениям в средней и сильной степени. Почвенно-экологическое состояние оценивается как относительно неблагоприятное и неблагоприятное, поскольку в составе почвенного покрова преобладают почвы с низкой и средней устойчивостью к воздействиям, а значительные их площади имеют высокую степень деградации. Следствием этого является преобладание почв с низким и средним потенциалом восстановления, что и позволяет отнести почвенно-экологическое состояние рассматриваемой территории к упомянутым категориям.

В растительном покрове произошли изменения в связи с затоплением некоторых степных, луговых и лугово-болотных экосистем и замещением степных экосистем луговыми, луговых - заболоченными участками, что привело к выраженной мезофитизации растительности. Плодородные угодья ушли под воду, остались их незначительные участки. Хотя прогноз гласил, что будет больше плодородных лугов, время показывает, что произошло засорение растительности. Действие водохранилища и сильный выпас отрицательно сказываются в целом на растительности и в кормовом отношении, что связано с вымиранием коренных видов растений, упрощением структуры фитоценозов, обеднением флоры, снижением числа видов в фитоценозе и увеличением числа сорных видов.

Функционирование Саяно-Шушенского водохранилища привело к значительному обеднению фауны птиц на всей затапливаемой площади и прилегающих к ней участках.

Полученные результаты исследований показывают, что созданные природно-техногенные ландшафты Саяно-Шушенского водохранилища в степной зоне Тувы еще далеки от терминальной стадии, поэтому требуется экологический мониторинг происходящих процессов.

Рецензенты:

Дубровский Н.Г., д.б.н., профессор, ОУ ВПО «Тывинский государственный университет», г. Кызыл.

Сагды Ч.Т., д.б.н., профессор, ОУ ВПО «Тывинский государственный университет», г. Кызыл.