Тема2_Качество воды в озерах (4.1Mб, pptx)

Lake Water
Quality
Egor Zadereev
PhD (Hydrobiology)
MSc (Env.Sci. and Policy)
egzadereev@gmail.com
Пруды, озера, водохранилища – стоячие водоемы
“Каждое озера это уникальная экосистема”
Для того чтобы планировать и внедрять меры
по управлению качеством воды в водоеме
необходимо понимать причины этих проблем.
Наука занимающаяся исследованием озер и
водоемов - лимнология.
Озера обычно разделяют на три категории по их
продуктивности (трофности):
1. Олиготрофные (молодые, горные, глубокие) – низкая продуктивность,
низкая концентрация биогенных элементов
2. Мезотрофные (среднего возраста) – средняя продуктивность, больше
биогенных элементов
3. Эфтрофные (старые, мелкие, равнинные, в сельскохозяйственной
местности) – высокая продуктивность, много биогенных элементов
Олиготрофное озеро – чистое, холодное озеро с низким
содержанием биогенных элементов. Мало растений и
водорослей. Концентрации фосфора меньше 0.001 мг/л.
Мезотрофные озера – озера среднего возраста, в которых
больше фосфора и водорослей, могут быть проблемы с
цветением водорослей.
Эфтрофные озера – высокое содержание биогенных
элементов, мутная вода, много водорослей. Концентрации
фосфора в районе 1 мг/л. 1 грамм фосфора нужен для роста
100 грамм водорослей!
Антропогенная
эвтрофикация –
ускоренный процесс
старения озера из-за
попадания в водоем стоков
содержащих биогенные
элементы (фосфор, азот).
К эвтрофикации могут
приводить – нарушение
экосистем (вырубка леса,
пастбище), эрозия почвы,
использование удобрений,
сточные воды, другие виды
деятельности.
Озера разделяются на определенные зоны. Знание о том, как
устроено озеро важно для последующего управления.
Форма береговой линии озера – морфометрия
Форма дна, глубина озера - морфология
Литоральная зона (литораль)
- прибрежная зона озера,
переходная зона между
твердым берегом и открытой
водой, обычно зона в которой
свет проникает до дня. Ее
размер в первую очередь
зависит от наклона берега.
Зона открытой воды или
лимническая зона –
относительно независимая
часть озера. Обычно здесь
выделяют трофическую цепь
состоящую из водорослей,
зоопланктона и рыб.
Эпилимнион (поверхностные
воды) - область где идет
фотосинтез, водоросли
производят кислород и растут,
потребляя биогенные
элементы.
Бентосная зона (дно) –
состоит из донных осадков,
сообщества донных
организмов,
микроорганизмов. Обычно
имеет большую потребность в
кислороде.
Основные причины проблем с
качеством воды в озерах/прудах
1. Свет и температура
2. Биогенные элементы
3. Кислород
Стратификация
• Разделение столба воды в водоеме на слои разной
плотности (бывает вызвано температурой или
соленостью) – более легкая вода плавает на
тяжелой
• Между верхними и нижними водами нет обмена.
Вверху теплая вода, внизу холодная.
• Стратификация влияет на биогеохимические и
экологические процессы
Годичный цикл температурной стратификации
Весна
Начало осени
Ранее лето
Осень
Позднее лето
Зима
Биогенные элементы
Все организмы «сделаны», в частности, из
углерода, водорода, кислорода, азота и
фосфора.
Соотношение (стехиометрия) этих пяти
биогенных элементов в биомассе водных
организмов, особенно водорослей,
достаточно стабильно.
C106H263O110N16P1
Соотношение Рэтфилда (Redfield 1958)
Закон минимума Либиха
Либих первый заметил (1840), что недостаток
определенных элементов может лимитировать рост
популяции организмов.
Он сформулировал свой закон так:
....«рост растения зависит от количества того
источника питания, который находится в
минимальном количестве..".
Из 5 перечисленных биогенных элементов наиболее
важны N и P, так как они часто истощаются. Тогда
как C, O и H хоть и требуются в больших количествах,
но они редко (C) или никогда (O, H) не истощаются в
водоемах.
Фосфор как лимитирующий элемент
Элементарный состав
растений
Наличие в
окружающей среде
C106N16P1
C1000-100:N10:P1
Редко
лимитирует
Состав сточных вод
Лимитирует
во II-ую
очередь
C6:N4:P1
Лимитирует
в I-ую
очередь
Биогенные элементы
• Поступают в водоем
• Потребляются водорослями и бактериями.
• Тех съедают простейшие, ракообразные, рыбы.
• После отмирания оседают на дно.
Донные отложения накапливаются в водоеме со скоростью от 1
до 15-20 сантиметров в год .
• Причина старения озера.
• Причина того, что любое озеро с возрастом из олиготрофного
превращается в эфтрофное.
Фосфорная нагрузка и концентрация
водорослей в водоеме
Истощение кислорода около дна
В стратифицированном озере кислород не поступает в глубинные воды –
так как свет туда не доходит, а водная толща разделена на слои разной
плотности и кислород с поверхности туда не доходит.
О2
Свет
ФАР, мкМоль/м2с
0
0
?
Глубина, м
О2
4
8
12
16
20
1000 2000
Фосфор & Кислород
Фосфор & Фитопланктон
Истощение кислорода и стрессовые для экосистемы ситуации случаются когда
концентрация кислорода падает ниже 3-4 мг/л. Обычно это происходит:
 Ночью
 Облачные и безветренные дни
 Жаркие и влажные дни
 Когда в озере много биогенных элементов
 После попадания в озере определенных химикатов
Наиболее наглядные последствия истощения кислорода смертность рыбы и
запах.
Долговременные последствия включают выход биогенных элементов со дна,
химическую разбалансировку озера, накопление донных осадков.
Разложение органического вещества
Наиболее эффективно –
аэробные бактерии. Аэробные
бактерии живут в присутствии
кислорода и они разлагают
органическое вещество
потребляя кислород.
Они очень эффективны в
разложении органического
вещества и делают это в 7 раз
быстрее чем анаэробные
бактерии.
Анаэробные бактерии –
также разлагают органическое
вещество. Не так эффективны
как аэробные бактерии. В
процессе разложения
органического вещества
выделяют такие
газы/соединения как метан,
сероводород, аммиак. В целом
запах в водоеме почти всегда
связан с этими бактериями.
Тест на качество воды: допустимые значения
 Растворенный кислород >4 мг/л (до рассвета)
 БПК
<5 мг\л
 pH
6-9
Хлорофилл
<2 мг\л
 Взвешенные вещества
<5 мг\л
 Кишечные палочки
<200 на 100 мл
 Общий азот
<5 мг\л
 Общий фосфор
>.05 мг\л (уже много)
<.1 мг\л (будут цветения
водорослей)
Предупреждающие меры
Форма озера и его окружение
Форма озера и окружение могут помочь решить многие проблемы.
Морфометрия и морфология!
У озера будут проблемы если оно:
 Слишком мелкое
 Имеет вытянутые рукава или узкие заливы.
Озеро должно иметь достаточную литоральную (буферную) зону в которой
поступающие со стоками биогенные элементы будут поглощаться
растениями.
Минимальная глубина рекомендуемая для озера – 3 метра.
Использование озерных
красок
Применяется в мелких озерах.
Нейтральные химикаты меняющие цвет воды и
уменьшающие количество света в воде
(поглощают солнечное излучение).
Использование донных
покрытий
Применяется при создании искусственных
прудов.
Различные покрытия (бетон, пленка, глина)
используют, чтобы изолировать озеро от старых
осадков или почвы с биогенными элементами и
легче чистить озеро.
Создание заболоченных участков в месте впадения
сточных вод, ручьев, оврагов.
Заболоченный участок решает несколько проблем:
 Замедляет поступление воды в водоем
 Снижает эрозию
 Растения потребляют биогенные элементы
Аэрация водоемов
Главная цель аэрации водоема – добавить кислород и
вызвать циркуляцию воды.
Почему аэрация улучшает качество вода и контролирует рост
водорослей?
Аэрация влияет на три фактора: кислород, биогенные элементы
и температуру.
 Кислород вызывает рост аэробных бактерий, которые
разлагают органическое вещество, поглощают биогенные
элементы.
 Аэрация вызывает циркуляцию в водоеме, разрушает
стратификацию и снижает температуру на поверхности водоема.
 Поступление кислорода на дно озера приводит к тому, что
соединения фосфора и железа оседают на дно и снижают
концентрации фосфора в воде.
Поверхностные распылители
Обеспечивают циркуляцию в озерах глубиной до 5 метров.
Поднимают воду со дна и распыляют ее на поверхности.
Кроме насыщения воды кислородом и создания течений,
препятствуют образованию пленок водорослей на поверхности,
препятствуют размножению личинок насекомых (комаров).
Горизонтальные распылители
Подходят для мелких озер (1-4 метра). Создают
сильный направленный поток. Хороший выбор когда не
нужен или не желателен выброс воды в виде струи.
Создают течения в узких или вытянутых водоемах.
Также разрушают поверхностные пленки.
Диффузные распылители
Наиболее эффективны в озерах глубже 5 метров. Но не
подходят для слишком глубоких озер. Пузырьки воздуха
поднимающиеся со дна перемешивают воды и
насыщают ее кислородом.
Биологический метод борьбы с цветением
водорослей в водоеме
Биоманипуляция (Шапиро) – контроль цветения водорослей за счет
увеличения количества крупных видов зоо путем увеличения количества
хищной рыбы.
Хищны
е рыбы
Бактерии
Хищный
зоопланктон,
рыбы
Зоопланктон
(рачки)
Фитопланктон
(водоросли)
Минеральные вещества (Р, N)
Основные гипотезы о том, что
контролирует развитие экосистемы
Bottom-up контроль
(контроль снизу) – биогенный контроль
Биогены->
рыбы
PO4
NH4
Фито
->
Зоо
-> Рыбы -> Хищные
Сколько чудовищ живет в
озере Лох-Несс?
Основные гипотезы о том, что
контролирует развитие экосистемы
Top-down контроль
(контроль сверху) – трофический каскад
Хищная
рыба
Мелкая
рыба
Зоо
Фито
Концептуальная диаграмма
трофического каскада
Альтернативные устойчивые состояния
экосистемы
Чистая вода
Мутная вода
 На дне растут растения
 Много хищной рыбы
 Много зоопланктона
 Мало водорослей
 Много водорослей
 Вода мутная
 На дне нет растений
 Мало хищной рыбы
Альтернативные устойчивые состояния
экосистемы
Буферная емкость
экосистемы
 Переход из одного
устойчивого состояния
в другое происходит не
сразу.
Хлорофилл в озере
 Критические
значения фактора для
перехода из одного
состояния в другое и
обратно различаются!
Поступление фосфора в озеро
Механизмы поддерживающие «чистое»
состояние:
 Донные растения конкурируют с одноклеточными
водорослями за азот и фосфор
 Растения снижают взмучивание донных отложений,
стабилизируют дно, тем самым уменьшая мутность и создавая
условия для своего роста
 Растения затрудняют питание рыб питающихся на дне
 Растения предоставляют условия для роста и размножения
хищных рыб и предоставляют убежище для зоопланктона
 Растения выделяют химические вещества негативно
влияющие на рост одноклеточных водорослей
Механизмы поддерживающие «мутное»
состояние:
 Фитопланктон более эффективен в потреблении фосфора
 Доминирование сине-зеленых, которых плохо выедает
зоопланктон
 Высокая мутность препятствует росту растений
 Взмучивание донных отложений и биогенных элементов из
незащищенных донных отложений поддерживает высокую
мутность
 Относительно низкое выедание фитопланктона из-за
отсутствия хищной рыбы и наличия планктоноядной рыбы
 Цветение водорослей вызывает выход фосфора из осадков
(высокий рН, низкое содержание кислорода).