Введение
Использование озер в качестве охладителей тепловых агрегатов угольных электростанций обуславливает сложный и комплексный характер антропогенного воздействия на компоненты окружающей среды, что влечет за собой нарушение естественного режима функционирования водоемов. Результат такого воздействия способствует появлению природно-технических геоэкосистем водоемов-охладителей, изучение которых необходимо для рационального использования водных ресурсов. Исследование таких геоэкосистем имеет перспективу с использованием геоинформационных технологий (ГИС). Применение ГИС-технологий широко отражено в работах ученых [1, 2]. Сбор данных об изучаемом объекте, их анализ и дальнейшая визуализация с применением ГИС позволяют создать пространственную геомодель [3], которая отражает состояние геоэкосистемы. При изучении геоэкосистем водоемов-охладителей в качестве геоданных выступают любые пространственные элементы природного и техногенного характера.
Озеро Кенон – важнейший объект обеспечения краевого центра Забайкальского края г. Читы тепло- и электроэнергией; водоем, использующийся в качестве охладителя тепловых агрегатов Читинской ТЭЦ-1 уже более 50 лет [4, с. 3]. До настоящего времени была попытка АНО «Центр исследований и разработок» [5] изучить состояние оз. Кенон с использованием геоинформационных технологий. Однако схема станций исследования, представленная в отчете [5], не дает полного представления о качестве воды в озере. Мониторинг за качеством вод оз. Кенон с использованием организмов – биоиндикаторов (зообентос, зоопланктон и т.д.) выполняет Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды «Росгидромет» [6]. Росгидромет проводит наблюдения за качеством вод водоема на двух створах [6]: в районе ТЭЦ и в центре озера. Ограниченное количество станций мониторинга не позволяет выполнить зонирование вод оз. Кенон по классам качества с использованием ГИС-технологий.
При изучении природных водоемов Забайкальского края зонирование с использованием ГИС выполнялось на основе равномерно распределенных по озеру станций исследования [7]. В отношении водоемов-охладителей в Забайкальском крае исследования с целью выполнения зонирования не проводились. При мониторинге за состоянием оз. Кенон не уделяется достаточное внимание донной подсистеме водоема. В ней осуществляются процессы взаимодействия между компонентами: подстилающие породы – донные отложения – вода – биота, которые определяют состояние всей геоэкосистемы водоема-охладителя [8]. Цель исследования – оценить состояние и выполнить зонирование вод донной подсистемы оз. Кенон по классам их качества на основе показателей макрозообентоса.
Материалы и методы исследования
Озеро Кенон (52°02.349’ N, 113°23.068’ E) (рис. 1) – один из крупных водоемов, относящихся к Верхнеамурскому бассейну, который находится на северо-западной окраине г. Читы в пределах Читинской котловины на высоте 650 м. Водоем окружен городскими жилыми застройками, промышленными и технологическими предприятиями, к которым относятся: Читинская ТЭЦ-1, городская нефтебаза, Транссибирская железнодорожная магистраль, авторемонтные предприятия и т.д. [4, с. 3]. В 1,4 км к западу от водоема располагается Международный аэропорт Чита. Озеро является популярным местом отдыха жителей и гостей краевого центра Забайкальского края.
Водоем бессточный, однако при высоком стоянии уровня вод озера может наблюдаться поверхностный сток из него в р. Ингода. В оз. Кенон впадают р. Застепенский (Ивановский) и р. Кадалинка. В связи с использованием водоема в качестве охладителя Читинской ТЭЦ-1 для регулирования его уровня и восполнения потерь воды осуществляется подкачка вод из р. Ингода [4, с. 8].
Озеро Кенон относится к мелководным водоемам с значительными изменениями степени зарастания, зависящими от уровенного режима озера, климатических факторов и т.д.
Преобладающим типом грунтов в озере являются илы. Наибольшее загрязнение донных отложений тяжелыми металлами отмечается в районе ТЭЦ [9]. При оценке токсического загрязнения водоема методом морфологических деформаций головных капсул личинок хирономид установлено, что в районе ТЭЦ-1 сложились условия сильного токсического загрязнения [10].
По данным на 2022 г. площадь озера составляет 15,2 км2, длина – 5,6 км, ширина (средняя) – 2,9 км. Средняя глубина – 4,8 м, максимальная – 6,2 м.
Отбор проб зообентоса выполнен в октябре 2022 г. на 32 станциях исследования, равномерно распределенных по оз. Кенон. В марте 2023 и 2024 гг. отбор проб зообентоса выполнен на семи постоянных мониторинговых станциях для оценки изменения качества вод (рис. 2). Пробы зообентоса отобраны с использованием дночерпателя Петерсена с площадью захвата 0,025 м2. Далее пробы были отмыты от грунта через мельничное сито с размером ячеи 0,3 мм и зафиксированы 4 %-ным раствором формальдегида.
Рис. 1. Местоположение оз. Кенон
Рис. 2. Карта-схема отбора проб зообентоса на оз. Кенон, где 1–32 – станции отбора проб в октябре 2022 г., а станции с приставкой «М» – станции отбора проб в марте 2023 и 2024 гг.
Оценка качества воды оз. Кенон выполнена с использованием индекса Вудивисса [11]. Дополнительно по материалам 2022 и 2023 гг. посчитан индекс видового разнообразия Шеннона и индекс Гуднайта – Уитлея (соотношение численности олигохет к общей численности организмов зообентоса в пробе).
Расчет индекса Вудивисса был модифицирован. В качестве одной из индикаторных групп автором использовалась байкальская литоральная эндемичная амфипода Gmelinoides fasciatus. Известно, что этот вид избегает местообитаний с гипоксией и воздействием подогретых вод электростанций [12]. Помимо этого, имеются данные об использовании Gm. fasciatus в качестве тест-объекта при оценке загрязненности донных отложений [12].
Зонирование вод донной подсистемы оз. Кенон выполнено в программе ArcGIS 10.8 с использованием инструментов Spatial Analyst по результатам расчета индекса Вудивисса.
Результаты исследования и их обсуждение
В материалах исследования 2022, 2023 и 2024 гг. зообентос представлен 53 видами, из которых 58 % – хирономиды, 11 % – олигохеты, 5 % – ручейники, 26 % – прочие таксоны: Amphipoda, Mollusca, Ephemeroptera, Odonata, Coleoptera, Diptera, Hirudinea, Lepidoptera и Arachnida. Из показательных организмов, учитывающихся при определении биотического индекса Вудивисса [13, с. 90], отмечены: поденки Caenis horaria и Ephemera orientalis; ручейники Cyrnus fennicus, Phryganea bipunctata и Leptoceridae sp.; амфиподы Gammarus lacustris и Gmelinoides fasciatus; хирономиды Chironomus plumosus (cyngulatus?), олигохеты Limnodrilus hoffmeisteri и Aulodrilus pigueti. При расчете индекса Гуднайта – Уитлея [13, с. 87] в литоральной зоне юго-западной и северо-восточной частях озера встречались Stylaria fossularus, Nais variabilis, Nais pseudobtusa и Nais communis. В глубинной зоне в центре озера встречался Limnodrilus hoffmeisteri и Aulodrilus pigueti.
Таксономическое обилие зообентоса в пробах изменялось от 3 до 17 видов. Максимальное число таксонов зообентоса (17) отмечалось в литоральной зоне оз. Кенон на глубине 3,5 м в зарослях Stuckenia pectinata. Минимальное число таксонов (три) отмечено в центральной части водоема на глубине 6 м. Количественные показатели зообентоса (M±SE) в озере составили 5503±1058 экз./м2 и 11,2±1,6 г/м2. Максимальные значения достигали 32960 экз./м2 и 43,6 г/м2 в литоральной зоне северо-восточной части озера. Минимальные значения составили 1000 экз./м2 и 3,16 г/м2 в центральной части водоема.
Станции исследования многолетней динамики зообентоса оз. Кенон охватывают глубинную (диапазон глубин от 5,6 м до 6,2 м) часть водоема-охладителя, представляющую собой илистый биотоп с отсутствием макрофитов. В октябре 2022 г. количество таксонов этой зоны изменялось от 4 до 9. Зообентос был представлен хирономидами Tanytarsus bathophilus, Procladius choreus, Tanipus punctipennis, хаоборидами Chaoborus flavicans и олигохетами Limnodrilus hoffmeisteri. Количественные показатели (M±SE) на станциях в октябре составили 2663±531 экз./м2 и 6,3±1,2 г/м2. Максимальные значения достигали 4720 экз./м2 и 11 г/м2, а минимальные – 1000 экз./м2 и 3,32 г/м2. В марте 2023 г. зообентос был представлен теми же видами. Количество таксонов в пробах изменялось от 6 до 9. Количественные показатели (M±SE) в марте 2023 г. увеличились в два раза и составили 5377±1826 экз./м2 и 11,7±1,9 г/м2. Максимальные значения достигали 12880 экз./м2 и 19,1 г/м2, а минимальные – 1560 экз./м2 и 5,6 г/м2.
Индекс видового разнообразия Шеннона в октябре 2022 г. в оз. Кенон составил 2,24±0,08 бит/г, что соответствует умеренно загрязненным водам [14]. Индекс Вудивисса составил 2,91±0,24 балла. Это свидетельствует о том, что вода в оз. Кенон загрязненная, местами грязная и экстремально грязная [11]. Локально в северной и южной частях водоема-охладителя Читинской ТЭЦ-1 воды степени слабого загрязнения. Условно чистых вод не было. Индекс Гуднайта – Уитлея составил 9,71±3,11 %, что по степени загрязненности соответствует условно чистым водам и первому классу качества воды [11].
Индекс видового разнообразия Шеннона по многолетним станциям исследования динамики зообентоса в октябре 2022 г. составил 2,12±0,16 бит/г, а в марте 2023 г. – 2,19±0,07 бит/г (таблица). Значения индексов соответствуют умеренно загрязненным водам. Индекс Вудивисса с 2022 по 2024 г. стал немного выше. В октябре 2022 г. он составил 2,0±0,38 балла, в марте 2023 г. – 2,14±0,34 балла, а в марте 2024 г. – 2,29±0,18 балла. Класс качества воды четвертый, степень ее загрязненности соответствует грязным водам. Индекс Гуднайта – Уитлея снизился. В октябре 2022 г. соотношение численности олигохет к организмам зообентоса в пробе было 13,1±5,96 %, а в марте 2023 г. – 6,19±4,44 %. Класс качества воды первый, степень загрязненности условно чистая.
Индексы качества вод по многолетним станциям исследования зообентоса оз. Кенон
|
№ станции |
Октябрь 2022 г. |
Март 2023 г. |
Март 2024 г. |
||||
|
Индекс Шеннона, бит/г |
Индекс Вудивисса, балл |
Индекс Гуднайта – Уитлея, % |
Индекс Шеннона, бит/г |
Индекс Вудивисса, балл |
Индекс Гуднайта – Уитлея, % |
Индекс Вудивисса, балл |
|
|
М 1.1 (13)* |
2,69 |
2 |
2,7 |
2,35 |
2 |
0 |
2 |
|
М 2.1 (15)* |
1,48 |
4 |
0 |
2,01 |
2 |
0 |
4 |
|
М 3 (21)* |
2,06 |
2 |
0 |
2,21 |
2 |
0 |
4 |
|
М 4 (26)* |
2,06 |
1 |
29,6 |
2,11 |
4 |
0 |
2 |
|
М 5 (25)* |
2,25 |
2 |
24,6 |
2,43 |
2 |
30,5 |
2 |
|
М Центр (20)* |
1,78 |
1 |
0 |
2,24 |
1 |
0 |
2 |
|
М 6.1 (11)* |
2,51 |
2 |
34,7 |
1,96 |
2 |
12,8 |
2 |
|
Среднее значение |
2,12±0,16 |
2,0±0,38 |
13,1±5,96 |
2,19±0,07 |
2,14±0,34 |
6,19±4,44 |
2,29±0,18 |
*Станции отбора проб в октябре 2022 г., аналогичные станциям мониторинга в марте 2023 и 2024 гг.
Рис. 3. Зонирование вод оз. Кенон по классам их качества, октябрь 2022 г.
Увеличение индекса Шеннона в марте 2023 г. на 0,07 бит/г, увеличение индекса Вудивисса с 2 (2022 г.) до 2,14 (2023 г.) и до 2,29 (2024 г.) балла, и снижение % индекса Гуднайта – Уитлея с 13,1 до 6.19 (таблица) свидетельствует о возможной тенденции к повышению качества воды в донной подсистеме оз. Кенон.
Преобладающим по площади классом качества вод в донной подсистеме оз. Кенон в октябре 2022 г. являлся третий класс – загрязненные воды (36,5 %) (рис. 3). Остальную часть площади водоема составили воды четвертого класса качества – грязные (35,8 %); воды пятого класса качества – экстремально загрязненные (22,4 %); и воды второго класса качества – слабо загрязненные (5,3 %).
Сравнение полученных материалов по составу зообентоса оз. Кенон 2022, 2023 и 2024 гг. с данными периода исследований 1985–1991 гг. свидетельствуют о изменениях его структуры. В 1985–1991 гг. основными представителями донных беспозвоночных были хирономиды Chironomus gr. и Procladius ferrugineus, моллюски Sphaereum corneum и Pisidium inflatum, олигохеты Tubidex tubifex и хаобориды Chaoborus cristallinus [4, с. 149]. В современных условиях зообентос представлен хирономидами Tanytarsus bathophilus, Procladius choreus и Tanipus punctipennis, олигохетами Limnodrilus hoffmeisteri и хаоборидами Chaoborus flavicans. Моллюски Sphaereum corneum и Pisidium inflatum не обнаружены. Отсутствовали и олигохеты Tubidex tubifex.
В литоральной зоне водоема-охладителя Читинской ТЭЦ-1 отмечены максимальные показатели численности (3400 экз./м2) и биомассы (18,8 г/м2) вида-вселенца из оз. Байкал – литоральной амфиподы Gmelinoides fasciatus, не обнаруженной в водоеме в период исследований 1985–1991 гг. Gm. fasciatus встречался в юго-западной, южной, юго-восточной, восточной и северо-восточной частях оз. Кенон, что сказалось на выделении зоны загрязненных вод третьего класса качества (рис. 3).
Индекс видового разнообразия Шеннона по результатам исследований 1985–1991 гг. в целом по оз. Кенон составлял 2,8 бит/г [4, с. 152]. В литоральной части озера индексы Шеннона 2,9–3,0 бит/г. В зоне влияния сбросных вод с ТЭЦ-1 индекс Шеннона составлял 2,96 бит/г, что свидетельствует о высоком видовом разнообразии зообентоса. В центральной части отмечено снижение индекса видового разнообразия до 2,5 бит/г [4, с. 152]. Значения соответствуют умеренному загрязнению вод. В 2010–2011 гг. индекс Шеннона в районе ТЭЦ-1 составлял 3,24 бит/г [15], что соответствует чистым водам. В 2022 г. отмечено снижение индекса видового разнообразия Шеннона. По озеру он составил 2,24±0,08 бит/г. В прибрежной зоне озера максимальный индекс видового разнообразия составил 2,7 бит/г, как и в центральной части водоема. Возле Читинской ТЭЦ-1 индекс видового разнообразия Шеннона также составил 2,7 бит/г. Степень загрязнения вод оценивается как умеренно загрязненная.
Заключение
По состоянию на октябрь 2022 г. в донной подсистеме оз. Кенон выделено четыре зоны вод по классам качества. В целом современное состояние вод донной подсистемы оз. Кенон соответствует третьему классу качества (загрязненные воды). Полученные геоданные впервые дают представление о состоянии вод в донной (бентической) подсистеме оз. Кенон и могут использоваться для создания геомодели природно-технической системы водоема-охладителя Читинской ТЭЦ-1.
Автор статьи выражает благодарность научному сотруднику лаборатории водных экосистем ИПРЭК СО РАН, канд. биол. наук П.В. Матафонову за оказанные консультации по теме исследования.