«ЛАДОГА Публикация осуществлена на средства гранта Всероссийской общественной организации Русское географическое общество Санкт-Петербург 2013 26 УДК 504 Под редакцией Академика РАН, проф. В.А.Румянцева д-ра физ.-мат. ...»

В отличие от большинства рек Северо-Запада, на которых четко выделяется период весеннего половодья, летне-осенней и зимней межени, на Вуоксе наблюдается сглаженный сток в течение всего года. В многоводные годы характерен повышенный сток в теплый период. В настоящее время водный режим реки определяется влиянием озер и работой ГЭС. Наиболее четко прослеживается недельное регулирование стока Вуоксы.

Средний годовой расход Вуоксы за период 1945–2008 гг. в створе Х ГЭС составил м3/с. Закономерности в сроках наступления дат вскрытия и замерзания по длине реки не наблюдается. Порожистые участки Вуоксы не замерзают в течение всей зимы; на них, как правило, образуются только забереги и ледяные перемычки между выступающими из воды камнями. Замерзание плесов обычно происходит в ноябре – декабре. Вскрытие наступает в среднем в конце апреля – начале мая. Для Вуоксы характерны резкие подъемы уровня воды, обусловленные зажорами и заторами на суженных участках реки.

Реки бассейна Онежского озера. В Онежское озеро впадает более 40 притоков, большинство из которых имеют малую площадь водосбора. Наиболее значительные из них: Шуя, Суна и Водла (табл. 2.2.2).

Основные притоки Онежского озера (Давыдов, 1955) Речная сеть южной и северной частей бассейна Онежского озера значительно различаются: северные реки характеризуются слабо углубленными и неразработанными руслами, проложенными в кристаллических породах, изобилующими порогами и водопадами. Продольный профиль их долин еще не выработан. Многие реки северной части бассейна Онежского озера представляют протоки между озерами, расположенными уступами, снижающимися с северо-запада на юго-восток. Другие являются остаточными водотоками бывших больших потоков, спускавших в прошлом воды послеледниковых озер. Эти реки текут в настоящее время по днищу древних водоемов. Для них характерно чередование озеровидных расширений и порожистых участков.

Южные реки характеризуются хорошо разработанными долинами. Течение у них значительно медленнее, озерность незначительна, устья имеют вид эстуария. В верховьях южных рек развиты карстовые явления.

Значительной густотой речной сети характеризуется юго-восточная часть бассейна озера. Чрезвычайно слабо развита сеть притоков на западном побережье озера. Рек здесь почти нет, а имеются лишь ручьи с небольшими водосборами.

Реки бассейна озера Ильмень. Наиболее значительными притоками озера Ильмень являются Мста, Пола, Ловать и Шелонь (табл. 2.2.3).

Река Мста имеет самую большую площадь водосбора среди всех притоков озера Ильмень. Истоком Мсты является река Цна, впадающая в проточное озеро Мстино, из которого Мста и вытекает. Река впадает в озеро Ильмень недалеко от истока Волхова.

Верхняя часть бассейна Мсты имеет озерность около 3,5%. Нижняя часть бассейна расположена в пределах Приильменской низменности и сильно заболочена. Основные притоки Мсты – левые Березай и Холова, правый – Уверь. Все притоки представляют собой небольшие реки: площадь водосбора самой крупной из них, Увери, — 3,82 тыс. км2.

В верхнем течении до впадения Увери Мста протекает в неглубокой долине, представляющей собой ложбину древнего ледникового протока. Ниже впадения Увери Мста образует многочисленные пороги. Между порогами в русле располагаются глубокие плесы. Ниже порогов река течет в узкой и неглубокой долине по Мстинской впадине.

Ниже по течению долина реки имеет вид узкого каньона, врезанного в девонские породы.

Более широкий каньон, но менее ярко выраженный, располагается ниже с. Белое. Ниже устья реки Велма Мста протекает в узкой и неглубокой долине в пределах Приильменской низменности. В нижнем течении реки пороги отсутствуют. В 29 км от устья Мсты от нее отходит Вишерский канал, а на 11 км от устья — Сиверсов канал, соединяющий Мсту с Волховом. По этому каналу в межень протекает основной расход Мсты. Мста входит в состав Вышневолоцкой системы, являющейся первым искусственным водным путем, построенным в России в 1703–1709 гг. при Петре I. В прошлом Мста использовалась для судоходства на всем протяжении (Давыдов, 1955).

По характеру водного питания река Мста принадлежит к рекам смешанного типа с преобладанием снегового, со значительной долей дождевого и меньшей — подземного питания. По характеру водного режима Мста относится к рекам восточно-европейского типа. Основная фаза в гидрологическом режиме реки — весеннее половодье, начинающееся в среднем в первой половине апреля. Максимальный уровень воды наблюдается чаще в двадцатых числах апреля, после чего наблюдается спад. Летняя межень устанавливается в июле и продолжается до сентября, когда наблюдаются подъемы уровня воды под влиянием обложных дождей. Летняя межень нарушается дождевыми паводками, которые наблюдаются не каждый год. Средний годовой расход Мсты у д.

Девкино равен 184 м3/с. Большая часть стока приходится на весну и составляет 54%, сток лета — 11%, осени — 23% и зимы — 12% годового.

Осенний ледоход на ряде участков реки наблюдается не ежегодно, повторяемость его составляет около 25%. Осенний ледоход растянут, прерывист и продолжается от дней до месяца. На порожистых участках образуется внутриводный лед. Замерзает река в последней декаде ноября. Река вскрывается в середине апреля. Средняя продолжительность весеннего ледохода 4–6 дней. На порожистых участках ледоход сопровождается заторами.

Гидрологический режим большинства естественных озер Ладожского бассейна имеет сходные черты. Режим уровней озер характеризуется максимальным подъемом в период весеннего снеготаяния и относительно устойчивой летней и зимней меженью.

Осенью наблюдаются небольшие подъемы уровней, вызванные дождями этого периода.

Амплитуда колебания уровня воды озер в основном не превышает 1,5 м, на малых озерах возможны подъемы уровня до 3 м. Наименьшими амплитудами уровней отличаются болотные озера. Прогревание водоемов, как правило, начинается в апреле, максимальных значений температура воды достигает в конце июля. Охлаждение водоемов начинается в августе – сентябре, ледостав устанавливается в зависимости от метеорологических условий в октябре – декабре. Продолжительность ледостава до 180 дней, максимальная толщина льда — до 1 м.

Основными озерами водосбора Ладожского озера являются Онега, Ильмень и Сайма.

Онежское озеро – второе по величине озеро Европы. Водосборный бассейн озера составляет 62,8 тыс. км2, основная часть его расположена на территории Республики Карелия. Площадь зеркала озера с островами равна приблизительно 10 тыс. км2, без островов — 9,7 тыс. км2. Объем водной массы 292 км3 (Ладожское озеро. Мониторинг…, 2000). Показатель удельного водосбора — 6,5. Обмен водной массы озера осуществляется примерно 1 раз в 6 лет. Береговая линия озера в его северной части сильно изрезана и расчленена длинными узкими губами и заливами, вытянутыми с севера на юг. Южная, юго-восточная и западная части береговой линии озера правильны и сглажены. Средняя глубина озера — 31 м, а наибольшая — 120 м.

Дно Онежского озера отличается чрезвычайно сложным строением. Дно озера в прибрежной зоне сложено каменистыми и песчными грунтами, переходящими постепенно в илистые. Значительная часть дна озера покрыта илом. На акватории озера больше островов. Преобладающее большинство сосредоточено в северной части озера. Самый большой остров – Климецкий, площадью 148 км2 (Давыдов, 1955).

В Онегу впадают около 50 рек и свыше 1000 малых водотоков. Вытекает из озера река Свирь. Озеро служит важным звеном Волго-Балтийского и Беломорско-Балтийского водных путей. Уровень воды в озере зарегулирован водохранилищем Верхне-Свирской ГЭС (площадь зеркала водохранилища равна приблизительно 116 км2).

Прозрачность воды озера различна в разных частях и меняется по сезонам.

Преобладающее значение прозрачности 4–5 метров. По характеру термического режима Онежское озеро относится к типу озер умеренных широт с отчетливо выраженной прямой стратификацией летом, обратной — зимой и гомотермией весной и поздней осенью.

Обратная стратификация, характерная для зимнего периода, сохраняется до апреля, но в апреле уже наблюдается подледный нагрев воды. В мае, вскоре после вскрытия, происходит весенняя циркуляции воды и намечается прямая стратификация. В июле устанавливается хорошо выраженная прямая стратификация и образуется слой скачка, расположенный на глубине 5–10 м. В июле – августе продолжается дальнейший нагрев слоев, по данным озерных постов, наступает в июле – августе.

Замерзание озера начинается в конце октября в наиболее защищенных от ветра частях прибрежной зоны. Первое появление сала и заберегов, как правило, наблюдается в юго-восточной части озера, затем на севере в концевых частях губ и в заливах, и только во второй и третьей декадах ноября забереги появляются в более открытых частях озера западного и восточного берегов. Устойчивый ледяной покров в центральной глубоководной части устанавливается в последних числах декабря. Весной (в апреле) вдоль берегов образуются закраины, а на юге начинается увеличение большой полыньи от истоков Свири в сторону озера. В центральной части озера ледяной покров распадается на отдельные поля и льдины. Небольшая часть льда ветром выбрасывается на берег и отмели, образуя торосы высотой до 5 метров. В северных губах лед тает на месте. Из южных районов он прибивается к истоку Свири, где тает иногда в течение месяца. Вынос льда в Свирь незначителен. Окончательное очищение озера ото льда происходит в среднем во второй половине мая; в холодные весны лед в северных частях озера задерживается до июня. В теплую весну озеро очищается ото льда в конце апреля. В среднем продолжительность ледостава в открытой части от 30 до 100 дней, в прибрежной зоне от 130 до 210 дней.

Уровенный режим Онежского озера формировался в естественных условиях до 1951 г., когда была построена Верхне-Свирская ГЭС. Средний годовой уровень за период естественного режима 1884–1951 гг. был равен 0,96 м (над «0» графика), а в 1953–2005 гг.

составил 1,31 м. Максимальный средний годовой уровень воды 0,23 м был зарегистирован в 1940 г. – во время самого низкого стояния уровня Ладоги. После строительства ГЭС уровень воды озера не опускался ниже 0,84 м, а максимальный средний годовой уровень в 1962 г. на 10 см превысил значение 1904 г. Таким образом, в результате ввода в строй ГЭС амплитуда колебания среднего годового уровня воды Онеги сократилась с 1,30 м до 0,79 м. Ход уровня воды озера внутри года характеризуется следующими особенностями.

Вскоре после начала снеготаяния и поступления талых вод в озеро по рекам начинается подъем уровня воды. В конце июня достигается максимум, после чего уровень снижается и его спад продолжается до октября. Затем наблюдается подъем, обусловленный влиянием осенних дождевых паводков. Этот подъем достигает максимума в начале зимы, а затем уровень озера постепенно снижается до предвесеннего минимума (конец апреля).

Продолжительность весеннего подъема около двух месяцев, высота подъема в среднем 0,5 м. Спад уровня происходит медленно. Иногда падение уровня воды не наблюдается, а идет его непрерывный подъем до осеннего максимума. Меженный уровень воды обычно высок, превышая на 10–20 см зимний, и наступает в среднем в сентябре – октябре.

Продолжительность межени летом 2–3 месяца, в дождливое лето она сокращется до 1 месяца. Среднегодовой водный баланс Онежского озера за период 1932–2005 гг.

приведен на рис. 2.2.6. В приходной части водного баланса озера преобладает приток воды по рекам — 74,8%, а в расходной части — сток по реке Свирь (84%). Объем осадков на акваторию озера превышает испарение с его поверхности.

Рис. 2.2.6. Структура среднего многолетнего годового водного баланса Онежского озера.

Озеро Ильмень десятое по площади озеро Европы расположено среди обширной Приильменской низины. Площадь водосборного бассейна озера составляет 67,2 тыс. км2.

Площадь зеркала, так же как и его глубины, сильно меняется вместе с колебаниями уровня. При низком стоянии уровня воды площадь зеркала озера сокращается до 620 км 2, при высоком — увеличивается почти в 3,5 раза, достигая 2,2 тыс. км2. При среднем многолетнем уровне воды площадь зеркала — 1,1 тыс. км2. Коэффициент удельного водосбора при средней многолетней площади озера составляет 61,4. В озере в среднем сосредоточено 2,85 км3 воды. Период водообмена составляет полтора месяца.

Озеро мелкое с плоским дном, покрыто мощным слоем (до 9 м) ила с большим содержанием органического вещества. Прибрежные участки сложены песками. Берега озера преимущественно низкие, заболоченные. Только юго-западный берег, сложенный известняками, высокий и представляет собой обрыв, у подножья которого расположен узкий пляж. Особенно низок и заболочен восточный берег. В значительной степени берега озера созданы дельтами впадающих рек, которые состоят из многочисленных плоских пойменных островов, разделенных протоками.

Вследствие малых глубин вода озера летом хорошо прогревается и наблюдается незначительная прямая стратификация. Наибольшее нагревание происходит в июле. В конце ноября или к началу декабря, после образования ледяного покрова, под влиянием накопленного в толще воды тепла и развивающихся в ней биохимических процессов постепенно происходит нагревание придонных слоев. Это явление обусловливает образование полыньи в истоке Волхова. Замерзает озеро в среднем в конце ноября. От момента появления сала до ледостава проходит от 7 до 30 дней. Вскрывается озеро в конце апреля.

Прозрачность воды невелика — от 0,15 до 1 м.

Среди других водоемов озеро Ильмень отличается большой амплитудой колебания уровня, достигающей за многолетний период 7,4 м. Для годового уровня воды характерно быстрое повышение в период весеннего снеготаяния. Подъем уровня озера начинается в конце марта – начале апреля. Высокий уровень воды обычно держится недолго. Спад растянут и продолжается до сентября. Осенний подъем обычно незначителен.

Минимальный уровень чаще всего наблюдается осенью или в конце зимы. Годовая амплитуда уровня воды не превышает 6 м. После сооружения Волховской ГЭС в результате подпора уровень воды озера Ильмень несколько повысился.

Структура водного баланса озера Ильмень за период 1932–2005 гг. (Водные ресурсы…, 2008) приведена в табл. 2.2.4.

Озеро Сайма, четвертое по площади зеркала озеро Европы, представляет собой систему озер в юго-восточной части Финляндии. Котловины озер тектонического происхождения, расширены и сглажены покровным ледником. Площадь озера составляет 4,38 тыс. км2 (www.tem.fi/island), максимальная глубина озера — 86 м, средняя — 17 м.

Площадь водосбора — 62,2 тыс. км2.. Коэффициент удельного водосбора равен 14,2. В озере содержится около 36 км3 воды. Время условного водообмена составляет около двух лет. Берега озера сильно изрезаны, часто скалисты. Длина береговой линии около 15 тыс. км. На акватории расположено несколько тысяч островов, имеющих различную площадь. Иногда название Сайма относят только к южной части озера площадью 1,7 тыс. км2. Максимальный уровень воды в озере наблюдается летом, минимальный — ранней весной. Сайма покрыта льдом с декабря по май. Сайменским каналом Сайма соединена с Финским заливом. Из озера вытекает река Вуокса 2.2.3. Оценка стока воды на основе гидрологической модели В случае отсутствия данных натурных наблюдений характеристики стока могут быть рассчитаны с использованием гидрологической модели. Схема такой модели, разработанной в Институте озероведения РАН (Кондратьев, Шмакова, 2005), приведена на рис. 2.2.7. Модель описывает процессы снегонакопления и снеготаяния, испарения и увлажнения почв зоны аэрации, формирования стока с разделением на быструю (поверхностную и подповерхностную) и медленную (грунтовую) составляющие. Форма гидрографа стока в значительной степени определяется озерностью водосбора, т. е.

процентом площади водосбора, занятой озерами. В процессе моделирования водосбор представляется в виде однородной имитирующей емкости, накапливающей поступающую воду и затем постепенно ее отдающей. Модель может работать как с месячным шагом по времени, так и с годовым.

Рис. 2.2.7. Схема гидрологической модели водосбора и водного баланса водоема (Кондратьев, Шмакова, 2005).

Верификация гидрологической модели выполнена на ряде водосборов бассейна Ладожского озера и Финского залива (Кондратьев, Шмакова, 2005; Кондратьев, 2007;

Кондратьев и др., 2010). На рис. 2.2.8 приведены результаты расчетов гидрографов стока с водосбора реки Тигода (створ Любань), имеющего относительно небольшую площадь водосбора (589 км2) и незначительную озерность, а также с водосбора реки Нева (створ Новосаратовка) общей площадью около 281 тыс. км2 и озерностью 6,4%. Следует обратить внимание на различную форму гидрографов стока рассмотренных рек.

Соотношение максимальных и минимальных расходов зависит от зарегулированности (озерности) водосбора. Если для Тигоды значения расходов воды в период весеннего половодья могут быть в десятки и даже сотни раз выше меженных расходов, то для Невы — не более чем в 23 раза. Как видно из приведенных графиков, используемая гидрологическая модель учитывает указанные особенности формирования стока.

Рис. 2.2.8. Измеренные (1) и рассчитанные (2) расходы воды для реки Тигода (а) и Невы (б).

2.3. Формирование нагрузки на водосбор и озеро Нагрузка на водный объект – это количество вещества, поступившего в водоем за рассматриваемый интервал времени и, возможно, пересчитанное на единицу площади акватории или объем водной массы. Суммарная нагрузка состоит из внешней нагрузки, сформированной в результате поступления веществ извне, и внутренней нагрузки, сформированной за счет образования веществ внутри водного объекта или в результате их поступления из донных отложений. По отношению к источникам формирования внешняя нагрузка разделяется на точечную и рассредоточенную (диффузную). Точечная нагрузка формируется за счет сбросов очищенных и неочищенных сточных вод промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных предприятий. Рассредоточенная нагрузка формируется за счет выноса веществ со всей площади водосбора. Это эмиссия химических веществ из почв, смыв поверхностных загрязнений.

В зависимости от происхождения источника нагрузка может классифицироваться как естественная или антропогенная. Основным источником формирования естественной нагрузки является вынос химических веществ с естественных ландшафтов (лесов, болот, лугов естественного происхождения и др.) под воздействием дождевого и талого стоков.

Антропогенная составляющая складывается из сбросов сточных вод промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных предприятий, а также выноса растворенных и взвешенных примесей с сельскохозяйственных угодий, пашень, пастбищ, удобряемых и заброшенных территорий.

Впервые понятие нагрузки было введено Сойером (Sawyer, 1947) в рамках исследования зависимости трофического уровня водоема от массы поступающего в него фосфора и азота. Позже широкое распространение получили задачи, связанные с оценкой нагрузки разнообразными химическими веществами (металлы, нефтепродукты, токсиканты и др.). В «классическом» представлении нагрузка имеет размерность [ML2T1], где M — масса, L — расстояние, T — время, т. е. поступление вещества пересчитывается на единицу площади. Затем в практику лимнологических исследований введено понятие объемной нагрузки (Гусаков, 1987), т. е. нагрузки на единицу объема озера [ML3T1]. Часто используется также понятие водной нагрузки (Vollenweider, 1975; Расплетина, Гусаков, 1982; Расплетина, 1984), по сути, представляющей собой слой стока с водосбора, пересчитанный на площадь акватории водоема. В последующие годы с легкой руки зарубежных исследователей (Pitknen et al., 1999) термин «нагрузка» стал использоваться для обозначения поступления вещества в водный объект в целом, в этом случае размерность нагрузки составляет [M T–1]. В настоящей работе, возможно, не уделено должного внимания сохранению первоначальной терминологии, и понятие «нагрузка» используется в широком смысле этого слова, т. е. охватывает все перечисленные выше возможные значения.

Одной из основных экологических проблем Ладожского озера и водоемов их водосборного бассейна является антропогенное эвтрофирование (Антропогенное эвтрофирование…, 1982), интенсивность которого зависит, в основном, от фосфорной нагрузки на водоем. Поэтому одним из основных изучаемых химических элементов являются фосфор и его соединения.

1.3.1. Внешняя нагрузка на озеро по данным наблюдений Как отмечалось ранее, приток воды в озеро по рекам составляет более 85% всей приходной части водного баланса Ладоги. При этом около 90% от общего притока поступает по трем крупнейшим рекам: Свири, Волхову и Вуоксе. Вынос химических веществ с водой рек в озеро можно рассматривать как интегральный показатель природных условий водосбора и хозяйственной деятельности на его территории.

В Главе 5 подробно показано, что конце 1970-х – начале 1980-х гг. фосфорная нагрузка на Ладогу с речным стоком составляла 6–7 тыс. т P год–1, В настоящее время в озеро поступает 3–4 тыс. т P год–1 в зависимости от водности года, из которых около 50% – природная составляющая. Критическая концентрация Робщ в воде Ладожского озера, соответствующая критической нагрузке на водоем, оценивается в 31 мкг л –1. Указанное значение близко к концентрациям, наблюдавшимся в конце 1970-х гг. Уменьшение фосфорной нагрузки на озеро привело к снижению его концентрации в озерной воде и уменьшению отношения критической концентрации общего фосфора к его среднему содержанию до 0,5. Азотная нагрузка на Ладожское озеро не превышает 5 г м–2год–1, какого-либо отчетливого тренда в изменении азотной нагрузки не прослеживается.

Межгодовые колебания концентраций общего органического углерода в воде рек невелики, а вынос его в озеро составляет примерно 1 млн. т. год–1. Среди металлов в химическом составе вод притоков Ладожского озера важную роль играют железо, алюминий, марганец, медь, свинец, кобальт, цинк. В среднем за год в озеро с водами рек поступает около 46,2 тыс. т железа, 10,6 тыс. т алюминия, 5,1 тыс. т марганца, 0,56 тыс. т меди, 1,08 тыс. т цинка Рассчитанные значения поступления нефтеуглеводородов в Ладожское озеро с речным стоком в настоящее время составляют около 6–7 тыс. т год–1.

При этом современный вынос нефтеуглеводородов притоками примерно в 3 раза превышает уровень выноса 1993 г. Наибольшее поступление фенолов (около 300 т год–1) зафиксировано в 1993 г. В последующие годы фенольная нагрузка на озеро постепенно снижалась и в настоящее время составляет приблизительно70–80 т год–1.

2.3.2. Точечные источники антропогенной нагрузки Основными точечными источниками загрязнения Ладожского озера и водных объектов его водосбора являются сточные воды промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных предприятий. Количественная оценка нагрузки на водосбор, сформированной точечными источниками Lp, может выполняться с использованием достаточно простых расчетных зависимостей следующего вида: Lp N p k p kt, где Nр — количество «нагрузкоформирующих единиц», то есть единиц производимой продукции (для промышленных предприятий), голов домашних животных и птицы (для ферм и птицефабрик), жителей (для муниципальных очистных сооружений), kp — коэффициент эмиссии химического вещества нагрузкоформирующей единицей, kt — коэффициент, характеризующий снижение концентрации химических веществ в сточных водах после очистки. Для промышленных и сельскохозяйственных предприятий значения указанных параметров уравнения рекомендуется оценивать на основе планов выпуска продукции, поголовья животных и существующих норм водоотведения (Временные…, 1988).

Очевидно, что для оценки нагрузки от точечных источников на крупные водосборы необходим значительный объем исходной информации о произведенной продукции, технологических особенностях производства, водопотреблении, технологи очистки сточных вод и т. д. При этом объемы, состав и динамика сбросов загрязненных сточных вод определяются технологическими, социально-экономическими и другими факторами, не всегда имеющими научное объяснение. Возникают трудности при сборе исходных данных и выполнении последующих оценок. Поэтому при выполнении расчетов формирования нагрузки на крупные водные объекты вклад точечных источников описывается приближенно, на основе официальной отчетной статистической информации о проведенных сбросах и в соответствии с официальными перспективными планами совершенствования системы очистки сточных вод на рассматриваемых предприятиях.

Несанкционированные и нерегулярные сбросы могут быть учтены только при наличии достоверной информации, что случается крайне редко. В настоящее время основным официальным источником информации о сбросах сточных вод являются статистические формы 2-ТП Водхоз Министерства природных ресурсов и экологии. Данные, содержащиеся в этих формах, приводятся с годовым осреднением, что накладывает соответствующие ограничения на расчетные схемы и математические модели, в которых эти данные используются.

Не все химические вещества, сброшенные в водные объекты водосборного бассейна, достигают Ладожского озера. Часть из них удерживается озерами и гидрографической сетью. Так, по результатам выполненных расчетов (Кондратьев, 2007) Онега и Ильмень удерживают соответственно 76 и 50% поступающего в них фосфора.

Сама же Ладога удерживает до 70% фосфорной нагрузки. Методы расчета удержания биогенных веществ и некоторых металлов водными объектами изложены в работе Кондратьева и др. (2010).

На рис. 2.3.1 и 2.3.2. представлена динамика нагрузки Робщ и Nобщ на водосбор Ладожского озера (по данным форм 2-ТП Водхоз) с выделением сбросов непосредственно в озеро. Аналогичные графики для нагрузки нефтяными углеводородами и некоторыми металлами приведены на рис. 2.3.3–2.3.6. Приведенные данные показывают, что в начале 1990-х гг. на водосборе Ладожского озера в водные объекты сбрасывалось до 1 тыс. т Робщ год–1. При этом непосредственно в озеро поступало 30–40 т. Последующий распад СССР и экономический кризис в нашей стране привели к резкому сокращению промышленного и сельскохозяйственного производств. Сократилось число предприятий и соответствующим образом снизилась нагрузка. В начале XXI в. ситуация несколько стабилизировалась, и в настоящее время точечная нагрузка на водные объекты водосбора Ладожского озера составляет около 250 т Робщ год–1, из них непосредственно в озеро сбрасывается 20–30 т, т. е. около 5% от значения суммарной фосфорной нагрузки на водосбор. Снижение нагрузки от точечных источников загрязнения является одной из основных причин снижения общей фосфорной нагрузки на Ладожское озеро.

Аналогичные тенденции характерны и для нагрузки другими рассмотренными химическими веществами (общим азотом, нефтепродуктами, марганцом, медью, железом).

Как отмечалось ранее, в настоящее время в Ладожское озеро с водосбора поступает приблизительно 6–7 тыс. т нефтепродуктов в год, что в 3 раза превышает уровень выноса 1990–х гг. В тоже время официальная государственная статистика по сбросам точечных источников представляет совершенно другую, снижающуюся тенденцию (рис. 2.3.3). Приводимые в 2-ТП Водхоз значения более чем на порядок меньше нагрузки, рассчитанной по данным наблюдений на притоках. Из сказанного следует, что либо на водосборе существуют интенсивные и неучтенные официально источники поступления нефтяных углеводородов в поверхностные воды водосбора, либо официальные статистические формы не отражают объективную ситуацию по сбросам загрязняющих веществ в водные объекты изучаемой территории.

Рис. 2.3.1. Сбросы Робщ точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Рис. 2.3.2. Сбросы Nобщ точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Рис. 2.3.3. Сбросы нефтепродуктов точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Рис. 2.3.4. Сбросы марганца точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Рис. 2.3.5. Сбросы меди точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Рис. 2.3.6. Сбросы железа точечными источниками в водные объекты водосбора (1), в том числе – непосредственно в озеро (2).

Одной из наиболее значимых составляющих внешней нагрузки на водные объекты является вынос химических веществ с различных типов подстилающей поверхности водосборной территории под воздействием дождевых и талых вод. Такое поступление химических элементов в реки и водоемы получило название рассредоточенной, или диффузной нагрузки. В отличие от нагрузки точечными источниками загрязнения (сбросы промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных предприятий) рассредоточенная нагрузка в значительной степени определяется характеристиками подстилающей поверхности и гидрометеорологическими факторами. Рассредоточенная (диффузная) нагрузка на водные объекты водосбора Ладожского озера Ld формируется за счет эмиссии подстилающей поверхностью Le, внесения минеральных удобрений Lfert, воздействия животноводства и птицеводства Lаn, атмосферного выпадения на поверхность водных объектов водосбора Lat и выноса веществ за пределы водосбора с выращенным урожаем Lcrop: Ld = Le + Lfert+Lаn +Lat – Lcrop.

Количественная оценка биогенной нагрузки Le, сформированной в результате эмиссии с различных типов подстилающей поверхности, может быть проведена по формуле Le k i Fi, где ki — коэффициент эмиссии общего фосфора в водные объекты i-го типа подстилающей поверхности, имеющей площадь Fi. Определение значений ki, зависящих от характеристик подстилающей поверхности, обычно проводится на основе обобщения и анализа материалов полевых исследований. В табл. 2.3.1 приведены значения коэффициентов эмиссии ki общего фосфора и общего азота для различных типов подстилающей поверхности (Алябина, Сорокин, 1997; 2001; Rekolainen, 1989), которые успешно использовались при расчетах выноса биогенных веществ с водосбора Ладожского озера (Кондратьев, 2007).

Коэффициенты эмиссии (кг км–2 год–1) Pобщ и Nобщ в стоке с различных типов поверхность Достаточно высокие значения коэффициентов эмиссии для урбанизированных территорий (табл. 2.3.1) представляют вклад рассредоточенного сельского населения, не имеющего подключения к канализационным сетям и очистным сооружениям.

Динамика полевых (пахотных) площадей, формирующих, в соответствии с данными табл. 2.3.1, значимый вклад в рассредоточенную биогенную нагрузку, представлена на рис. 2.3.7. Здесь отражена та же ситуация, которая повлияла на снижение нагрузки от точечных источников. В результате экономического кризиса 1990-х гг.

площади сельскохозяйственных полей в изучаемом регионе сократились более чем на 2,5 тыс. км2, что естественно привело к снижению выноса биогенных веществ с водосбора.

Рис. 2.3.7. Динамика площади сельскохозяйственных полей на водосборе Ладожского озера.

Минеральные удобрения, вносимые на сельскохозяйственные угодья, являются важной компонентой рассредоточенной биогенной нагрузки на водосбор. Выполнять расчет поступления биогенных веществ на водосбор с минеральными удобрениями Lfert можно на основе разработанных региональных нормативов их внесения (Справочник…, 1976). Однако в современных условиях реальное внесение минеральных удобрений организациями. Так, для Ленинградской области источником необходимых данных могут являться статистические отчеты Комитета по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу Ленинградской области (Основные…, 2008). Если в 1990 г. на 1 га сельскохозяйственных угодий Ленинградской области было внесено около 200 кг минеральных удобрений, то в 2007 г. указанное значение составило 43 кг.

Животноводческие фермы и птицефабрики оказывают воздействие на биогенный баланс водосборов как источники биогенных веществ, содержащихся в навозе и помете.

Их последующее хранение и использование в качестве органических удобрений является причиной возникновения еще одной значимой компоненты биогенной нагрузки. Если предположить, что весь образовавшийся на фермах и птицефабриках навоз и помет остается в пределах рассматриваемого водосбора, то приближенная оценка нагрузки Lan выполняется следующим образом: Lan k j N j, где k j – коэффициент эмиссии вещества от одного домашнего животного j-го наименования, Nj – количество домашних животных (или птицы). Нормативные значения коэффициентов kj для различных домашних животных и птицы представлены в работах (Васильев, Филиппова, 1988; Свод правил …, 2007) и содержатся в табл. 2.3.2. Динамика поголовья крупного рогатого скота (КРС) на водосборе Ладожского озера представлена на рис. 2.3.8 и иллюстрирует снижение численности КРС более чем на 60% за период с 1990 г. по настоящее время.

Коэффициенты эмиссии (кг год–1) Pобщ и Nобщ одного домашнего животного и птицы.

Рис. 2.3.8. Количество голов крупного рогатого скота на водосборе Ладожского озера.

При этом следует помнить, что очистные сооружения животноводческих ферм и птицефабрик отнесены к точечным источникам загрязнения, так как сведения об их сбросах обычно включаются в формы статистической отчетности 2-ТП Водхоз.

Для количественной оценки выноса химических веществ за пределы водосбора с Lсrop K sU s As, где Ks — вынос химического вещества с растительной массой урожая s-вида сельскохозяйственной культуры, Us — урожайность s-вида сельскохозяйственной Рекомендованные значения параметра Ks для различных сельскохозяйственных культур содержатся в специальной литературе (Рекомендации, 1989; Хрисанов, Осипов, 1993).

Можно отметить, что в Ленинградской области урожайность зерновых и картофеля практически не изменились за период с 1990 г. (22,9 ц га–1 в 1990 г. и 29,5 ц га–1 в 2007 г.

по зерновым и 141 ц га–1 в 1990 г. и 140 ц га–1 в 2007 г. по картофелю). А урожайность овощей открытого грунта существенно возросла с 227 ц га–1 в 1990 г до 326 ц га–1 в 2007 г.

(Основные показатели…, 2008). Соответственно увеличился вынос биогенных веществ с урожаем, что способствовало снижению биогенной нагрузки на озеро.

Информация о выносе биогенных веществ с урожаем также может быть получена из расчетов биогенного баланса сельскохозяйственных территорий, выполненных ответственными региональными органами.

Атмосферные выпадения оцениваются как с помощью методов математического моделирования атмосферного переноса примесей, так и по результатам непосредственных измерений химического состава жидких и твердых атмосферных выпадений. С начала 1970-х г. в Европе работает Программа EMEP (Европейская совместная программа мониторинга и оценки переноса воздушных загрязнений на большие расстояния) (http://www.emep.int). В рамках исследований по Программе EMEP разработан ряд моделей, описывающих атмосферный перенос и выпадения на подстилающую поверхность химических, аэрозольных и радиоактивных загрязнений. Модели позволяют оценить уровень фоновых выпадений, сформированных не только близлежащими выбросами, но и расположенными на значительном расстоянии. Однако в реальности всегда имеются неучтенные при моделировании точечные и рассредоточенные источники эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу, которые, возможно, никак не влияют на трансграничный перенос примесей, но существенно воздействуют на конкретный водоем или его водосбор, расположенные в зоне выбросов.

Натурное измерение атмосферной нагрузки обычно связано с гидрохимическим анализом проб осадков и последующей интерполяцией и экстраполяцией данных. В исследованиях Института озероведения РАН для акватории Ладожского озера получены следующие оценки атмосферной составляющей биогенной нагрузки: 2 кг Робщ км-2 год-1 и 465 кг Nобщ км-2 год-1 (Кондратьев и др., 1997; Ладожское озеро…, 2002). По данным экспериментальных исследований Института водных проблем Севера РАН для условий Карелии атмосферная нагрузка биогенными веществами составляет 3,12– 13,8 кг Робщ км-2 год–1 и 160–465 кг Nобщ км–2 год–1 (Лозовик, Потапова, 2006).

биологической фиксации и улетучивания азота для крупных речных водосборов, характеризующихся неоднородной ландшафтной структурой и сельскохозяйственной освоенностью. В ряде работ приводятся сведения о коэффициентах биологической фиксации азота некоторыми сельскохозяйственными культурами (Behrendt, Dannowski, 2007). Однако этой информации оказывается явно недостаточно для проведения расчетов азотного баланса водосборов северо-запада России. Исследования улетучивания азота с поверхности крупных гетерогенных водосборов пока не доведены до стадии создания соответствующих расчетных методов, описывающих весь комплекс физико-химических преобразований соединений азота, оказавшихся по разным причинам на поверхности водосбора или в приповерхностном почвенном слое. Поэтому на настоящем этапе создания и развития модели выноса биогенных веществ с водосбора Ладожского озера использовано предположение о равенстве значений поступления азота из атмосферы (выпадения с осадками + фиксация биотой) и улетучивания в результате денитрификации (Behrendt, Dannowski, 2007). Дальнейшие исследования биогенных балансов водосборов должны привести к созданию более детальных научно-обоснованных расчетных методов, использующих значения физико-химических характеристик подстилающей поверхности и атмосферы.

2.3.4. Природная и антропогенная составляющие нагрузки Природная (естественная, фоновая) нагрузка биогенными веществами формируется за счет выноса с необрабатываемых земель и части выноса с обрабатываемых земель, происходящего независимо от сельскохозяйственной деятельности. Таким образом, в соответствии с требованиями Хельсинкской Комиссии – ХЕЛКОМ (Guidelines…, 2005), общее направление расчетов фоновой нагрузки заключается в выявлении вклада различных (природных и антропогенных) источников в формирование нагрузки и последующем исключении из рассмотрения антропогенных составляющих. Для оценки природной (естественной, фоновой) составляющей нагрузки можно использовать следующие подходы (Guidelines…, 2005):

мониторинг небольших водосборов, неподверженных антропогенному воздействию;

математическое моделирование.

На основе результатов многолетних стационарных и полевых исследований на водосборах северо-запада России, подверженных минимальному антропогенному воздействию, в Институте озероведения РАН выполнена количественная оценка модулей фонового выноса органического вещества, общего фосфора и общего азота с водосбора Ладожского озера, которая подробно изложена в разделе 2.1 (рис. 2.1.2, табл. 2.1.2).

В качестве математической модели, позволяющей выполнять расчеты природной и антропогенных составляющих биогенной нагрузки на Ладожское озеро, использована математическая модель фосфорного баланса Ладожского озера и его водосбора, разработанная в Институте озероведения РАН (Кондратьев, 2007). В пределах каждого водоема и его водосборного бассейна рассчитываются основные элементы фосфорного баланса: фосфорная нагрузка на поверхностные водные ресурсы, фосфорная нагрузка на основные водоемы, фосфороудерживающая способность водных объектов водосбора и основного водоема, вынос фосфора и его поступление в последующие блоки модели.

Схема модели приведена на рис. 2.3.9.

Рис. 2.3.9. Схема модели, рассчитывающей баланс Pобщ в поверхностных водах водосбора и в водоеме (Кондратьев, 2007).

Результаты моделирования явились основой для оценки вклада различных источников в формирование нагрузки Робщ на Ладожское озеро (рис. 2.3.10). Вклад нагрузки Pобщ, сформированной сбросами промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных предприятий, в нагрузку на озеро и в настоящее время составляет около 460 т год1 или 12% от значения суммарной нагрузки. Вклад рассредоточенной нагрузки Pобщ, сформированной в результате животноводства — 280 т год1 или 7% суммарной нагрузки. Вклад рассредоточенной нагрузки Pобщ, сформированной антропогенными ландшафтами в нагрузку – 140 т год1 или 4% суммарной нагрузки. Вклад внутренней нагрузки Pобщ на все водные объекты водосбора в нагрузку на Ладожское озеро составил примерно 1000 т год1 или 27% от значения суммарной нагрузки. Естественная (природная) составляющая фосфорной нагрузки на Ладожское озеро может быть приблизительно оценена в 2–2,2 тыс. т год1 (Кондратьев, 2007).

Полученные результаты представляют интерес, прежде всего, при планировании различных мероприятий по снижению нагрузки на изучаемые объекты, так как с их помощью можно дать приближенную оценку интервала реального снижения нагрузки в результате антропогенных воздействий. Например, очевидно, что мероприятия по снижению рассредоточенной нагрузки на водосборе Ладожского не могут привести к снижению общей нагрузки Робщ более чем на 11%.

Рис. 2.3.10. Долевой вклад различных источников в формирование фосфорной нагрузки на Ладожское озеро (Кондратьев, 2007).

Согласно Хендриксену и др. (Hendriksen et al., 1992), критические нагрузки для поверхностных вод определяются количеством поступления в водоем одного или нескольких загрязняющих веществ, которые не оказывают вредного воздействия на наиболее чувствительные компоненты водных экосистем (на современном уровне знаний). Критическая нагрузка на систему водосбор– водоем представляет собой такой уровень поступления вещества извне, который в конечном итоге приводит к достижению в почве, воде, донных отложениях или биоте значения концентрации вещества, соответствующего заданному допустимому (критическому) уровню (Bakker et. al., 1998;

De Vries et. al., 1998).

Фолленвейдер (Vollenweider, 1975) предложил графическое представление разграничения между олиготорофными, мезотрофными и эвтрофными озерами в зависимости от притока воды и фосфорной нагрузки. Этот график (рис. 2.3.11) получил название диаграммы Фолленвейдера и может служить основой для приближенного определяются значений допустимой фосфорной (Lp) и водной (Lw) нагрузок, при которых озеро сохраняется олиготрофным, а также значения критической нагрузки, после превышения которого озеро может перейти в эвтрофное состояние.

Рис. 2.3.11. Трофический статус озер в зависимости от фосфорной (Lp) и водной (Lw) нагрузок (Vollenweider, 1975), а также фосфорная нагрузка на Ладожское озеро в 19591962 гг. (1), 19761982 гг. (2), 19962001 гг. (3) (Расплетина, 1984).

Здесь под водной нагрузкой понимается отношение годового объема притока в озеро к площади водного зеркала. Последующие исследования (Vollenweider, Dillon, 1974) позволили получить математическое выражение для расчета критической фосфорной нагрузки (Lкр) на крупные холодноводные водоемы с замедленным водообменом:

Lкр=25Lw(1+w0.5), где 25 — критическая концентрация фосфора в озере (в мкг·л–1) в период весеннего перемешивания, w (в год) — период полного водообмена озера. В последующие годы термин «критическая нагрузка» стал использоваться применительно к оценке антропогенного воздействия на водные объекты не только фосфором, но и другими химическими элементами, прежде всего — металлами и кислотообразующими веществами (Моисеенко, 1997). Если для фосфорной нагрузки допустимое и критическое значения отличаются друг от друга по соображениям, изложенным выше, то для других химических веществ они практически совпадают.

Упомянутый метод оценки критической нагрузки разработан с ориентацией на средний по водности год. Однако при рассмотрении процесса антропогенного эвтрофирования водоемов необходимо уделять особое внимание межгодовым колебаниям водности, поскольку именно маловодные годы могут являться определяющими при переходе озера к эвтрофному состоянию. В этой связи было введено понятие «объемной»

фосфорной нагрузки (Гусаков, 1987), т. е. поступления фосфора на единицу объема озера.

Указанная характеристика является показателем внешнего воздействия на димиктические озера умеренной зоны, в которых фосфор, поступивший с водосбора за год, относительно равномерно распределяется по всей водной толще. Критическим значением объемной фосфорной нагрузки, вызывающей переход озера в эвтрофное состояние, является 100 мг P м–3год–1; граница между мезотрофными и олиготрофными определяется значением 50 мг P м–3год–1.

Критическая фосфорная нагрузка, рассчитанная для Ладожского озера по уравнению Фолленвейдера-Диллона, составляет 0,47 г м–2год–1, что соответствует поступлению фосфора в Ладожское озеро с водосборного бассейна 8,3 тыс. т год–1. Как показали результаты наблюдений Института озероведения РАН (Расплетина, 1984;

Антропогенное эвтрофирование…, 1982; Современное состояние…, 1987; Ладожское озеро…, 1992), внешняя фосфорная нагрузка на Ладожское озеро в конце 1970-х – начале 1980-х гг. составляла 0,38 – 0,41 гм–2год–1. При этой нагрузке, согласно диаграмме Фолленвейдера, озеро находилось на верхней границе мезотрофии и по своему трофическому состоянию соответствовало переходному уровню от мезотрофного к эвтрофному. В 1984 – 1995 гг. фосфорная нагрузка снизилась до 0,32–0,35 г м–2год–1, а в последующие годы (1996 – 2010 гг.) достигла допустимого уровня (0,15– 0,23 г м–2год–1).

При сохранении современных значений поступления фосфора можно гарантировать, что Ладожское озеро избежит экологической катастрофы, связанной с его эвтрофированием.

соответствующая критической нагрузке на водоем с учетом фактора седиментации, составляет 31 мкг л–1 (Антропогенное эвтрофирование…, 1982). Указанное значение близко концентрациям, наблюдавшимся в конце 1970-х гг. Уменьшение фосфорной нагрузки на озеро привело к снижению его концентрации в озерной воде и уменьшению отношения критической концентрации общего фосфора к его среднему содержанию, как это показано на рис. 2.3.12. Ожидаемое оживление в развитии промышленности, сельского хозяйства, транспорта требует постоянного внимания к состоянию Ладожского озера и условиям на его водосборе.

Рис. 2.3.12. Динамика отношения концентрации общего фосфора С к его критическому содержанию С крит = 31 мкг л–1 в Ладожском озере.

Зависимость предельных нагрузок общим азотом (г м–2год–1) от средней глубины В работе Шилькрот (1975) предложен метод оценки предельной нагрузки на водоем общим азотом в зависимости от средней глубины (табл. 2.3.3). В соответствии с указанным методом для Ладожского озера значение азотной нагрузки, которая может угрожать эвтрофированием, составляет 8 г м–2 год–1. Фактическая азотная нагрузка на Ладожское озеро, рассчитанная по результатам натурных наблюдений, не превышает 5 г м–2 год–1. При этом, как отмечалось ранее, в течение всего периода регулярных наблюдений какого-либо отчетливого тренда в изменении азотной нагрузки не прослеживается (Антропогенное эвтрофирование…, 1982; Ладожское озеро…, 2002).

Изучение климата и его изменений на территории водосбора Ладожского озера и его акватории начало интенсивно продвигаться в России после 40-х гг. прошлого века, когда накопилась достаточная эмпирическая информация, собранная в ряде наблюдений на метеорологических станциях северо-запада России. Тем не менее, до настоящего времени остается не до конца освещенным вопрос об использовании накопленной фактической исторической информации об изменениях климатического режима ладожского водосбора. Анализ такой информации позволяет лучше понять климат Ладоги и уточнить картину климатических изменений в столь важном для России и Европы регионе.

2.4.1. Климатический режим водосбора по данным реанализа Для количественной характеристики климатического режима водосборного бассейна Ладоги весьма полезной является информация о климатических характеристиках, осредненных по всему водосбору озера. Для получения подобных оценок привлекаемые к анализу данные усредняются по всему бассейну с весами, пропорциональными косинусу широты, климатические же характеристики, изначально представленные в виде изолиний на картах, интерполируются в узлы регулярных сеток (Голицын и др., 2000). В проделанных расчетах использованы данные наземных и спутниковых наблюдений, а также данные реанализов, выполненных в Национальном Метеорологическом Центре США (US NMC) и в Европейском Центре Среднесрочного Прогноза Погоды (ECMWF). К расчетам также привлекались также данные, полученные отдельными исследователями, и материалы международных программ.

На рис. 2.4.1 (графики верхние слева) представлена информация о годовом ходе облачности (баллы) на ладожском водосборе. Видно, что балл общей облачности на данной территории достаточно высок во все месяцы года. Этот балл рассчитывался при интерполяции в узлы регулярной сетки два на два градуса данных, полученных за 30 лет наземных наблюдений (Берлянд, Строкина, 1989), а также с использованием результатов спутниковых измерений, проведенных в рамках международной программы ISCCP (International Satellite…, 1992). Как видно из рисунка, общий балл облачности на водосборе Ладоги по эмпирическим данным колеблется в пределах 6-8 баллов и 3,5- баллов – по данным ISCCP. Об относительной близости

NMC NMC

Рис. 2.4.1. Годовая динамика климатических параметров в целом по водосбору Ладожского озера (пояснения в тексте).

наземных и спутниковых данных можно сказать лишь в отношении летних месяцев, тогда как в целом систематические расхождения между ними весьма высоки. Что в особенности неприемлемо — это фактическая противофазность двух приведенных на данном рисунке графиков.

Одной из основных характеристик водного баланса является испарение.

Построенные с использованием данных, полученных при реанализе и почерпнутых из архивов эмпирических данных, графики годового хода испарения (см. сутки-1) на ладожском водосборе показаны на верхних правых графиках рис. 2.4.1. Несмотря на то, что кривые его динамики, рассчитанной по эмпирическим данным и данным реанализов (ECMWF…, 1997; Kalnay et al., 1996), на первый взгляд близки, различия между двумя последними, в особенности в весенние месяцы, весьма значительны, что делает затруднительным получение с их помощью достоверных оценок испарения даже в целом по водосбору.

Другой важной климатической характеристикой территорий является баланс коротковолновой солнечной и длинноволновой инфракрасной радиации на их подстилающей поверхности. На нижних части рис. 2.4.1. приведен годовой ход этих радиационных характеристик согласно данным реанализов, выполненных американскими исследователями из Центра им. Ланглея (LaRC) и Национального Метеорологического Центра (NMC) (The Langley…, 1983-1991; Kalnay et al. 1996). Сравнивая приведенные на данных рисунках графики, можно сказать, что о их близости друг к другу можно говорить лишь применительно к годовой динамике такой достаточно просто восстанавливаемой радиационной характеристики, как поглощенная коротковолновая радиация (левые нижние графики рис. 2.4.1), относительно же графиков годового хода длинноволновой радиации (правые нижние графики рис. 2.4.1) такого сказать нельзя, так как большую часть года результаты этих двух реанализов различаются на двадцать и более процентов.

Систематические значительные расхождения между данными, полученными при реанализе облачности, испарения и длинноволнового радиационного баланса существенно затрудняют получение достоверных оценок показателей энергетического и водного режима как водосбора Ладожского озера, так и его акватории. Здесь следует заметить, что именно по этой причине большое значение для получения правильных выводов на этот счет имеют более точные данные натурных измерений гидрометеорологического режима как на ладожском водосборе, так и, в принципе, на любой другой территории. Результаты анализа данных таких измерений на станциях водосборного бассейна Ладожского озера приведены ниже.

2.4.2. Изменения климатического режима и его современное состояние В последние десятилетия в северо-западном регионе России и смежных с ним областях (как и в большинстве регионов Земного шара) происходят весьма заметные изменения климатических условий, определяемые важнейшим из современных глобальных феноменов — антропогенным потеплением. Обнаруженные в 1970-е гг.

изменения тенденции динамики осредненной по всему Земному шару температуры приземного воздуха, как уже выявлено, по-разному проявляются в изменениях термического режима в разных географических регионах. Характерно, что общий вывод о том, что такие тенденции наиболее ярко выражены в высоких широтах в холодный период года (что, помимо прочего, подтверждает парниковый характер глобального потепления), не является единственной отличительной чертой современных изменений климата. В последнем четвертом отчете Межправительственной Комиссии по Изменениям климата (IPCC, 2007) приведена построенная с использованием новейших данных карта-схема, иллюстрирующая текущие тенденции изменений температуры приземного воздуха на разных континентах. Из этой карты-схемы следует, что в целом Европейский континент характеризуется одним из наиболее круто возрастающих трендов этого самого показательного климатического параметра.

В данном разделе монографии будет приведен материал, касающийся современного состояния и изменений климатических условий на территории водосбора Ладожского озера за последние сто лет, причем основное внимание будет уделено именно периоду после 1970 г. Материал, использованный в работе, основан на конкретных данных метеорологических наблюдений, проведенных на станциях водосбора Ладоги (и ряда других непосредственно примыкающих к нему районов) и получен из четырех источников: (1) Национальный Центр климатической информации США, Мировой Центр Данных «А», (NCDC, Asheville USA), (2) Всесоюзный Институт гидрометеорологической информации, Мировой Центр Данных «B» (Обнинск, Россия), (3) архив наблюдений на трех метеорологических станциях Финляндии (персональный контакт авторов) и (4) архив Северо-Западного управления Росгидромета (персональный контакт авторов). Данная эмпирическая информация относилась в основном к среднемесячным значениям температуры приземного воздуха, среднемесячным величинам его максимальной и минимальной температуры, абсолютной влажности, месячным суммам атмосферных осадков, а также продолжительности солнечного сияния.

Прежде чем переходить к анализу результатов, полученных с использованием упомянутой эмпирической информации, заметим, что качество данных наблюдений на привлекаемых к анализу метеорологических станциях существенно отличается от одной станции к другой. Это касается в первую очередь продолжительности рядов наблюдений и наличию в них пробелов за отдельные месяцы, годы, и временные промежутки. Так, например, из 34 станций, по которым были получены ряды измерений осадков, только для 15 имелась информация за последние 7 лет. Дополнительно к этому можно отметить, что только для 14 (из 34) станций имелась возможность оперировать рядами атмосферных осадков продолжительностью с 1900 г. (и ранее). Такие недостатки рядов метеорологических наблюдений по осадкам и средней, минимальной и максимальной температуре приземного воздуха приводили к необходимости в ряде случаев прибегать к принятым приемам заполнения пропусков. Однако авторы подчеркивают, что подобные приемы применялись в исключительных случаях, а потому не могли существенно повлиять на достоверность полученных оценок изменений параметров климатического режима водосбора Ладожского озера, в особенности применительно к показателям их долговременных трендов и длиннопериодных вариаций. Что же касается изменений абсолютной влажности воздуха и продолжительности солнечного сияния, то в силу ограниченной продолжительности рядов этих метеоэлементов в данном исследовании выводы об их трендах и временных вариациях делались в основном применительно к последним 50 годам.

Термический режим приземного воздуха. Изменения показателей термического режима приземного воздуха на четырех метеорологических станциях, характеризующих северную (станция Паданы), восточную (станция Вытегра), западную (станция Выборг) и южную (станция Великие Луки) части территории водосбора Ладожского озера представлены на рис. 2.4.2–2.4.5. Графики на этих рисунках однотипны и демонстрируют:

вековой ход средней годовой температуры приземного воздуха (верхние графики рис. 2.4.2–2.4.5);

ее динамику в центральные месяцы четырех сезонов (средние графики рис.

2.3.2–2.3.5);

характерный сезонный ход температуры при осреднении за весь промежуток измерений (первые диаграммы третьего ряда рис. 2.4.2–2.4.5);

среднеквадратичные изменения температуры в различные временные интервалы исследуемого промежутка измерений (вторые графики третьего ряда рис.

2.4.2–2.4.5);

среднюю амплитуду суточного хода температуры в четыре временных интервала, а именно в 1931–1960, 1946–1976, 1961–1990 и 1975–2005 гг. соответственно (третьи графики третьего ряда на рис. 2.4.2–2.4.5).

январь - январь январь январь Рис. 2.4.5. Термический режим приземного воздуха на метеостанции Великие Луки (пояснения в тексте).

Первое, что обращает на себя особое внимание — это очень высокие значения повышения средней годовой температуры приземного воздуха на всех четырех станциях водосбора. Если говорить о значениях углов наклона линейных трендов, для станции Паданы он составляет 3,95 оС за 50 лет, для станции Вытегра 2,85 оС за 50 лет, для станций Выборг и Великие Луки 2,15 оС за 50 лет и 4,11 оС за 50 лет соответственно. Что касается последней из указанных величин, то этот показатель для станции Выборг превышает среднее глобальное значение данного показателя более чем в 10 раз. Особенно впечатляет скорость роста средней температуры в январе на станциях Выборг и Паданы, 7,64 оС и 7,51 оС за 50 лет соответственно.

Авторам известно, что такие оценки роста локальной температуры приземного воздуха являются одними из самых высоких не только для регионов Европы, но и для всего мира.

Представляет интерес также и анализ изменений среднеквадратичных отклонений температуры приземного воздуха от начала XX в. к его концу (вторые графики третьего ряда на рис. 2.4.2–2.4.5). Наиболее характерным здесь является заметное увеличение (до десятков процентов) изменчивости температуры в холодное время года для всех четырех метеостанций, расположенных в различных регионах водосбора Ладожского озера (ср. зеленые кривые с красными и синими на упомянутых рисунках). Наименьшее значение изменчивости средней месячной температуры приземного воздуха на станциях водосбора Ладоги при происходящих в последние десятилетия изменениях климата продолжает приходиться на начало осеннего сезона. В то же время обращает на себя внимание появление необычного локального максимума на сезонной кривой ее изменчивости на востоке водосборного бассейна Ладоги (Вытегра) (тонкая зеленая линия) в июле в последний временной промежуток 1976–2005 гг. Возможно, этому феномену следует уделить дополнительное внимание, так как он проявился в последние 30 лет, когда климатические изменения громче всего заявили о себе.

Нельзя не обратить внимание и на изменения сезонной динамики амплитуды суточных колебаний температуры приземного воздуха на упомянутых четырех станциях водосборного бассейна Ладоги. Вычисление этой амплитуды производилось с привлечением информации об аномальных значениях температуры, полученных по показаниям минимального и максимального термометров. Наиболее характерной особенностью кривых сезонного хода суточной амплитуды температуры является неизменное положение минимума разности максимальной и минимальной температуры в октябре – ноябре, сохраняющееся и при современной перестройке термического режима, хотя величины самой амплитуды в этот сезон года могут заметно изменяться (случаи станций Паданы и Великие Луки). Ранее этот эффект был обнаружен для европейских станций, расположенных от Скандинавии до Средиземного моря между 10° и 35° в. д. (Менжулин, 2001).

Режим атмосферных осадков. Очевидный интерес для понимания закономерностей формирования водного режима как самого Ладожского озера, так и водоемов и водотоков, составляющих его сборный бассейн, имеет информация о происходивших в последние десятилетия изменениях режима осадков в данном регионе. Несомненно, положительно следует оценить то, что эмпирическая информация о временной динамике осадков на метеорологических станциях северо-запада России и прилегающей к нему территории Финляндии представлена наиболее широко в архивах метеорологических данных, хотя, как это уже отмечалось, ее качество несомненно оставляет желать лучшего. На рис. 2.4.6–2.4. настоящего раздела монографии приведен материал анализа режима атмосферных осадков на водосборе Ладоги, построенного по такому же, как и для температуры, принципу: для четырех станций (Кайаани, Вытегра, Вышний Волочок и Лаппеенранта), расположенных в северной, восточной, южной и западной частях водосбора.

При анализе изменений режима осадков на станции Вытегра в первую очередь обращает на себя внимание существенный рост их месячных сумм в зимний период (см. левые графики среднего ряда на рис. 2.4.6). Прирост осадков на этой станции в феврале по линейному тренду за период с 1895 по 2005 гг. составил 20,61 мм, то есть 57,3%. Увеличение количества месячных осадков по трендам в декабре и январе здесь было меньшим, но все-таки значительным – около 25 и 14% соответственно. Весной и летом (см. правые графики среднего ряда и левые графики нижнего ряда на рис. 2.3.6) тренды изменений осадков менее выражены. Для этих сезонов (как, впрочем, и для зимних месяцев) сильно выражены изменения осадков от одного временного периода XX в. к другому. Применительно к станции Вытегра также можно сказать об их существенной межгодичной амплитуде, которая для нормированных годовых и месячных сумм часто превышает 30%.

Устойчивые тренды вековых изменений осадков в восточной части водосбора Ладожского озера существенно проявляются также и в осенние месяцы. При этом в сентябре (в противоположность октябрю и ноябрю) изменение суммы осадков по линейному тренду за 1895–2005 гг. отрицательно и составляет около 6%, тогда как в октябре и ноябре изменения положительны и равны 30 и 22% соответственно. В целом за последнее столетие годовая сумма осадков на станции Вытегра по линейному тренду возросла на 15%.

В отличие от станции Вытегра, расположенной в восточной части ладожского водосбора, годовые суммы осадков в северном, западном и южном регионах ее водосборного бассейна в последнее столетие изменялись по-другому. На рис. 2.3.7–2.3.9 приведена вековая динамика изменений годовой суммы осадков на станциях Кайаани, Лаппеенранта и Вышний Волочок. Видно, что на этих станциях вековой тренд осадков практически не выявляется, хотя изменения сумм осадков от периода к периоду значительны. Так, на станции Кайаани (верхние графики на рис. 2.3.7) можно отметить два соседствующих временных периода: 1910–1935 гг. и 1936–1961 гг., – когда годовая сумма осадков согласно одиннадцатилетней скользящей кривой была высокой (в максимуме – до 1400 мм) и низкой (в минимуме до 750 мм). Такое же свойство динамики осадков выявляется и по наблюдениям на станции Лаппеенранта (средние графики на рис. 2.3.7), где в период 1920–1935 гг. годовая сумма осадков в максимуме достигала 970 мм, а в 1936–1956 гг.опускалась в минимуме до 530 мм. На станции Вышний Волочок (нижние графики на рис. 2.4.7) межгодичная амплитуда колебаний годовой суммы осадков меньше, чем на упомянутых двух станциях Финляндии, но, также как и на них, в ее вековом ходе не обнаруживается устойчивой тенденции увеличения или уменьшения.

Вытегра.

Рис. 2.4.6. Вековой ход годовой и месячных сумм атмосферных осадков (мм) и их одиннадцатилетних сглаженных значений на станции Лаппеенранта и Вышний Волочок.

Рис. 2.4.7. Вековой ход годовых сумм атмосферных осадков (мм) и их одиннадцатилетних сглаженных значений на станциях Кайаани, Вытегра Лаппеенранта Рис. 2.4.8. Годовой ход осредненных по шести тридцатилетним периодам XX в. месячных сумм осадков (мм) на четырех станциях водосбора Ладожского озера.

Вытегра Лаппеенранта Рис. 2.4.9. Годовой ход коэффициента вариации месячных сумм осадков (%) по шести тридцатилетним периодам на четырех станциях водосбора Ладожского озера.

Проанализировано изменение годового хода осадков на четырех упомянутых станциях Ладожского водосборного бассейна от периода к периоду XX в. Комментируя графики на рис. 2.4.8, представляющие эти изменения в целом, следует отметить существенные изменения деталей годового хода атмосферных осадков. Так, на станции Вытегра (левые верхние графики рис. 2.4.8) февральский минимум на графике годового хода в последние тридцатилетия имеет тенденцию сдвигаться на начало весны (ср. красные и зеленые кривые). В то же время на станции Кайаани (правые верхние графики рис. 2.4.8) эта тенденция не отмечается. Перестройка динамики годового хода осадков на станции Лаппеенранта привела к появлению двух (в феврале и апреле) минимумов в начальные месяцы года (левые нижние графики рис. 2.4.8).

Комментируя изменения зимнего минимума осадков на станции Вышний Волочок, можно отметить его заметное углубление (правые нижние графики рис. 2.4.8).

Анализируя изменения в положении максимумов на графиках годового хода атмосферных осадков на упомянутых выше станциях водосбора Ладоги, можно обратить внимание на то, что кривая динамики, имевшая в тридцатилетие 1901–1930 гг. только один максимум, приходившийся на август, в период 1931–1960 гг. трансформировалась в график с двумя максимумами (июль и сентябрь). В последние тридцатилетия эти максимумы сдвинулись на август и октябрь. На северной станции Кайаани в тридцатилетие 1961–1990 гг. максимум осадков стал более высоким и приходился на август. Для стации Лаппеенранта график годового хода в 1901–1930 гг. характеризовался тремя максимумами (июль, август и ноябрь). К периоду 1961–1990 гг. он трансформировался в кривую с одним максимумом, приходящимся на август.

И, наконец, комментируя изменения соответствующих графиков годового хода осадков в Вышнем Волочке от 1901–1930 гг. к 1961–1990 гг., можно сказать, для этого региона характерен сдвиг летнего максимума с середины июня на июль.

Расчеты показали, что в прошедшем столетии наиболее существенные изменения происходили в динамике сезонного хода коэффициента вариации осадков Cv,p в различных частях ладожского водосбора (графики на рис. 2.4.9). Так, применительно к этому показателю на станции Вытегра (левые верхние графики на рис. 2.4.9) можно видеть, что во временной промежуток 1901–1930 гг. на кривой годового хода Cv,р обнаруживалось три минимума (в июле, сентябре и январе) и четыре максимума (в апреле, июле и ноябре). В отличие от этого в период 1931–1960 гг. минимумы на этой кривой приходились на февраль, апрель, июнь и сентябрь;

максимумы – на январь, март, май, июль и ноябрь. Наконец, к периоду 1976–2005 гг. график трансформировался в кривую с минимумами в январе, марте, июне, сентябре и с максимумами в феврале, апреле, августе и октябре. Диапазон изменений параметра Cv,р в его годовом ходе в последнее тридцатилетие на станции Вытегра составил 20% (от 30 до 50%).

Для годовой динамики коэффициента вариации осадков на северной части водосбора Ладоги (станция Кайаани) при переходе от одного временного тридцатилетия к другому характерно сохранение максимумов на его графике (мае, июль, октябрь). Что касается минимумов, то здесь картина более сложная: если августовский минимум оказался довольно устойчивым, то мартовский повторился на кривой динамики Cv,р в последний промежуток, претерпев трансформацию в промежуточных тридцатилетиях. Августовский минимум Cv,р в промежуток 1901–1930 гг. располагавшийся на уровне 57%, опустился до уровня 32%.

На станциях Лаппеенранта и Вышний Волочок вид кривых динамики Cv,р в в течение прошедшего столетия изменялся наиболее кардинально. Например, для станции Лаппеенранта мартовский максимум (60%) на кривой для 1901–1930 гг. превратился в минимум в 1976– гг. (47%), майский максимум в 1901–1930 гг. (60%) трансформировался в глубокий минимум на графиках для 1961–1990 гг. и 1976–2005 гг. (37%). Самый высокий максимум (63%) на кривой Cv,р для 1916–1945 гг. превратился в глубокий (меньше 40%) минимум в 1961–1990 гг. Для изменений динамики годового хода коэффициента вариации осадков на станции Вышний Волочок от периода к периоду показательно, что в период 1901–1930 гг. весенний максимум приходился на апрель, в 1976–2005 гг. на его месте (в марте) расположился глубокий минимум.

В 1901–1930 гг. очень глубокий (35%) июньский минимум в 1976–2005 гг. стал только локальным (55%).

В целом для изменений режима атмосферных осадков на отдельных частях ладожского водосбора характерна, главным образом, перестройка их годовой динамики и, в особенности, их коэффициента вариации. Однако это не означает, что на некоторых станциях, в первую очередь расположенных в восточной части водосбора, также являются существенными и изменения в вековом ходе годовых и месячных сумм осадков (см. сказанное выше для станции Вытегра).

Продолжительность солнечного сияния. При анализе климатического режима водных объектов и территорий указанная характеристика применяется довольно редко, часто его заменяют другие характеристики, или определяющие этот параметр (например, облачность) или непосредственно с ним связанные (приход солнечной радиации). По мнению авторов, это является упущением, поскольку продолжительность солнечного сияния измеряется довольно надежными инструментами, и такие данные имеет большую достоверность, чем, например, балл облачности. Что же касается потока суммарной коротковолновой солнечной радиации, измерения продолжительности солнечного сияния представлены на гораздо более разветвленной сети метеорологических станций, чем существующая актинометрическая сеть.

Авторы для целей более полного понимания климатических изменений на водосборе Ладожского озера в последние десятилетия решили обратиться и к информации о продолжительности солнечного сияния.

гидрометеорологической информации, Мировом Центре Данных, отражает изменения продолжительности солнечного сияния на станциях северо-запада России за последние шесть десятилетий. Однако единственной из них, для которой имеются данные после 1900 г., является станция Санкт-Петербург. Авторы понимали, что данная станция расположена в пределах крупного мегаполиса, поэтому данные наблюдений на ней могут быть «закамуфлированы»

локальными эффектами антропогенного характера (повышенный фон тропосферного аэрозоля, увеличенная облачность и т. д.). Заметим, что известный эффект острова тепла, который исследовался авторами в применении к климату Санкт-Петербурга и который может приводить к увеличению среднемесячной температуры приземного воздуха в зимний сезон до 3 0С, в данном случае не существенен (Менжулин, Тетеревков, 2009, 2010). С целью получения достоверных выводов об изменениях продолжительности солнечного сияния к анализу привлекались и более короткие ее ряды для стаций, расположенных как на водосборе, так и в районах непосредственно нему примыкающих. На рис. 2.4.10 приведены данные анализа изменений продолжительности солнечного сияния (часы в год) на семи станциях: СанктПетербург, Белогорка, Тихвин, Сортавала, Реболы, Великие Луки и Каргополь.

характеризующих различные регионы водосбора Ладожского озера.

Рис. 2.4.10. Динамика продолжительности солнечного сияния (часы в год) на станции Санкт-Петербург и шести других метеостанциях, Комментируя результаты измерений данного климатического параметра в СанктПетербурге, следует заметить, что с начала XX в. по настоящее время продолжительность солнечного сияния на этой стации заметно менялась. Период уменьшенной продолжительности (1900–1925 гг.) сменился фазой ее увеличенных значений (1930–1950 гг.)., которая, несмотря на отсутствие систематических данных в 1950-е гг., можно сказать, продолжалась до конца 1970-х гг. Минимум продолжительности солнечного сияния в последнее тридцатилетие приходился на конец 1980-х – начало 1990-х гг., после чего она вновь стала возрастать. В самые последние годы этот климатический показатель приобрел тенденцию к уменьшению. Доказательством отсутствия существенного влияния на вековую динамику продолжительности солнечного сияния на территории водосбора Ладожского озера локальных антропогенных факторов мегаполиса служит практически идентичный характер изменений этой характеристики в последние 45 лет на шести других метеостанциях, данные по которым приведены на рис. 2.4.10.

Сжатая шкала лет на данных графиках иллюстрирует эту динамику более отчетливо. Следует полагать, что причиной локального сокращения продолжительности солнечного сияния, имевшего место в период 1975–2000 гг., было частичное увеличение облачности, отразившееся в росте осадков.

Если говорить о вековом линейном тренде продолжительности солнечного сияния, то, согласно данным измерений на станции Санкт-Петербург (которые, как показано, являются достоверным индикатором изменений этого климатического параметра на водосборе Ладоги в целом), статистически значимый положительный наклон этого тренда составляет 12% на 100 лет. Другими словами, за прошедшие 110 лет годовая сумма продолжительности солнечного сияния на ладожском водосборе возросла на 180 часов.

Влажность приземного воздуха. Так же как и продолжительность солнечного сияния, влажность приземного воздуха относительно редко привлекается для характеристики происходящих изменений климатического режима территорий. Однако, как это будет показано ниже, привлечение информации об изменениях показателей влажности приземного воздуха при таком анализе дает возможность существенно дополнить общую картину современных изменений локального климата территорий. В применении к водосборным бассейнам крупных водоемов, каким является Ладожское озеро, подобный анализ представляет особый интерес.

На рис. 2.4.11 приведены графики, иллюстрирующие динамику упругости водяного пара воздуха приземного слоя (гектопаскали) в центральные месяцы четырех сезонов года на четырех станциях, расположенных в (или непосредственно примыкающих к) северной Реболы Рис. 2.4.11. Динамика упругости водяного пара в воздухе приземного слоя (гПа) в период 1965-2010 гг. по измерениям на четырех метеостанциях водосбора Ладожского озера.

(Реболы), восточной (Вытегра) и южной (Псков, Великие Луки) частям водосбора Ладожского озера.

Даже общий взгляд на эти графики, позволяет сделать вывод о том, что происходящие изменения климата кардинальным образом влияют на влажность приземного слоя воздуха. Все графики сорокапятилетней временной динамики упругости водяного пара имеют явно выраженные растущие тренды (в большинстве своем статистически высоко значимые). Если говорить о таких изменениях применительно к каждой из метеостанций, можно привести следующие цифры. На станции Реболы по линейному временному тренду январские значения упругости водяного пара с 1965 по 2010 г. увеличились на 50% (с 2,2 до 3,2 гектопаскалей), на станции Вытегра – на 76% (с 1,6 до 2,1 гектопаскалей), на станции Псков – на 81%, на станции – Великие Луки – на 70%. Меньшими, но достаточно значительными величинами, характеризуется рост упругости водяного пара летом: Реболы – на 8%, Вытегра – на 15%, Псков – на 11%, Великие Луки – на 10%. Такие кардинальные изменения режима влажности воздуха связаны в первую очередь с существенным ростом испарения во все сезоны года, который в относительных величинах сильно увеличивается зимой, когда температура приземного воздуха растет наиболее заметно (см., например, графики изменений температуры на станции Вытегра).

Таким образом, основные результаты многолетних исследований, проводившихся на водосборе Ладожского озера и изложенные в настоящей главе, сводятся к следующему.

Северная часть водосбора расположена в пределах Балтийского кристаллического щита, южная – на Русской платформе. Граница между двумя этими частями проходит приблизительно по линии г. Выборг – г. Приозерск – устье реки Видлицы – исток реки Свири. Водосбор расположен в зоне тайги и зоне смешанных лесов. Для территории наиболее типичны еловые леса, характер которых существенно меняется с севера на юг – от среднетаежных черничных зеленомошников к южнотаежным с дубравными элементами в травяном покрове и к сложным ельникам с широколиственным подлеском в зоне смешанных лесов. Доминирующим типом почвообразования в бассейне Ладожского озера является подзолистый. Его крайнее проявление наблюдается на северо-востоке бассейна, в области распространения северной тайги. По мере перехода к средней и южной тайге в почвах наряду с процессом подзолообразования протекает процесс накопления гумуса.

Территория бассейна покрыта густой сетью водотоков, многочисленными озерами и обширными болотами. Густота речной сети составляет в среднем 0,45 км/км2. Наиболее значительными водотоками являются реки: Волхов, Свирь, Вуокса, Сясь, Оять, Паша и Мста. В основном водотоки имеют небольшие уклоны и спокойное течение. Лишь при пересечении кристаллических пород, моренных возвышенностей и гряд на перекатах и порогах скорость течения может резко возрастать. Реки бассейна Ладожского озера, как правило, имеют смешанное питание с преобладанием снегового (от 40 до 50% годового стока) с высоким половодьем, низкой летней и зимней меженью и подъемами уровня воды осенью под влиянием обложных дождей.

Основными озерами водосбора Ладожского озера являются Онега, Ильмень и Сайма. Режим уровней озер характеризуется максимальным подъемом в период весеннего снеготаяния и относительно устойчивой летней и зимней меженью.

По результатам мониторинга проведены расчеты и выполнена регионализация природного (фонового) выноса органического углерода, общего азота и общего фосфора с речных водосборов бассейна Ладожского в области Балтийского кристаллического щита и Русской равнины.

Показано, что модули выноса Робщ на территории бассейна озера изменяются в пределах 0,6–14, кг км-2 год-1.

По результатам моделирования проведена оценка вклада различных источников в формирование фосфорной нагрузки на Ладожское озеро. Показано, что в настоящее время точечные источники загрязнения формируют 12% нагрузки Р общ, рассредоточенные антропогенные источники – 11%, вынос из донных отложений – 37%. Природная (фоновая) фосфорная нагрузка на озеро оценивается в 50% от значения суммарной нагрузки на озеро.

Произошедшие и происходящие в XX и в начале XXI в. кардинальные изменения большинства параметров климатического режима водосбора являются региональными проявлениями глобального антропогенного потепления. Согласно результатам оценок исторических изменений фактических данных, привлеченных к анализу, климат водосбора Ладожского озера по сравнению с другими регионами Европы крайне отзывчив на происходящие изменения глобального климата.

Только тот выявленный факт, что в северной части водосбора этого озера тренд повышения температуры приземного воздуха существенно выше его среднего глобального значения, свидетельствует о такой исключительной чувствительности.

Глава 3. Физико-географическая характеристика озера Геологическое строение бассейна Ладоги оказывает значительно большее влияние на особенности надводного рельефа водосбора и подводного рельефа чаши озера, чем в других озерах мира (Молчанов, 1945). Котловина озера представляет собой крупную депрессию, вытянутую в северо-западном направлении, навигационный уровень воды в которой располагается на высоте 5,1 м БС. Отношение максимальной длины озера к максимальной ширине составляет 1,75, отношение площади зеркала озера к площади водосбора (показатель площади) – 0,06, а отношение максимальной глубины к диаметру озера (относительная глубина) — 0,0015.

внутриконтинентального гляциального шельфа. В пределах современного дна озера проходит важнейшая в геолого-структурном отношении шовная зона сочленения Балтийского щита и Русской плиты, предопределяющая сложное взаимоотношение разнопорядковых комплексов, включающих древнейшие образования кристаллического цоколя архея. В четвертичное время в этой зоне происходили уникальные процессы развития материкового оледенения. На завершающих этапах оледенения материковый лед взаимодействовал с пресноводными (приледниковыми) бассейнами, что привело к перестройке рельефа и осадочного покрова, включая появление новых формирований специфического состава и строения (История, 1990). В результате рельеф дна Ладожского озера обладает характерными особенностями, свойственными областям, испытывающим воздействие покровного оледенения. К этим особенностям можно отнести широкое развитие интенсивно, но неглубоко расчлененных поверхностей на мелководных участках, наличие аккумулятивных поверхностей в крупных понижениях рельефа дна, малый размах относительных превышений и пологие углы склонов, интенсивное развитие процессов абразионно-аккумулятивного выравнивания. Несмотря на относительно небольшие максимальные глубины Ладоги (до 230 м), морфология дна довольно разнообразна. Здесь можно выделить несколько районов, различающихся по морфологическим характеристикам.

Термический и динамический режимы озера наряду с климатическими особенностями северо-запада России в значительной степени определяется морфометрическими характеристиками его котловины. Действительно, характерные горизонтальные и вертикальные масштабы чаши озера определяют воздействие ветра на водную толщу (разгон и параметры волнения, степень перемешивания, горизонтальные и вертикальные скорости течения), площадь определяет интенсивность обмена массой и энергией с атмосферой, средняя глубина и объем – степень инерционности проникновения тепла вглубь и теплонакопления водной массой. Особую важность приобретает знание точных значений морфометрических характеристик для составления водного, теплового и химического баланса Ладожского озера. От формы и размеров озерной впадины зависят сроки начала ледостава и льдоразрушения. При выявлении возможных климатических изменений в термическом режиме озер необходимо учитывать, что в озерах одного и того же района, но с разными морфометрическими характеристиками или для крупного озера с различными глубинами гидрологические сезоны будут наступать в разное время и иметь отличающиеся друг от друга показатели.

Современные методы изучения озер базируются на создании их батиметрических моделей.

В настоящее время построены батиметрические модели Великих Американских озер, озера Байкал и др. Цифровые модели рельефа водосбора Ладожского озера и подводного рельефа Ладожского и Онежского озер (рис. 3.1.1) созданы в ИНОЗ РАН несколько лет назад (Науменко, 1995, 2000, 2002, 2003, 2005).

Рис. 3.1.1. Распределение глубин чаши озера и высот водосбора Ладоги.

В перечисленных публикациях описаны методические приемы создания батиметрических моделей, которые позволили определить разнообразные объемные и площадные характеристики как всей котловины Ладожского озера, так и его лимнических районов (Атлас, 2002). Общее количество точек эквидистантной сетки (шаг 0,5 х 0,5 км), используемых для вычисления морфометрических характеристик, составило 70190. На рис. 3.1.2. приведены батиметрическая и объемная кривые Ладожского озера. Объем озера, рассчитанный по современным данным, равен 847,8 км3 ± 0,28 %. Морфометрические характеристики криптодепрессии котловины озера ниже уровня моря – площадь 16,08 тыс. км2, объем 761,8 км Рис 3.1.2. Батиметрическая (1) и объемная (2) кривые Ладожского озера.

Цифровая модель позволила получить различные статистические характеристики глубин озера, которые принципиально невозможно получить картографическими методами.

Гистограмма глубин дна Ладожского озера имеет две моды, что свидетельствует о преобладании двух характерных диапазонов глубин. Это 0–18 м – мелководная зона и 50– 70 м – зона озерного уступа (рис. 3.1.3). Гистограммы уклонов как поверхности водосбора, так и подводного рельефа озер мономодальны и асимметричны со значительным смещением максимума в область малых величин.

Рис. 3.1.3. Гистограммы распределения глубин (вверху) и уклонов дна (внизу) Ладожского озера.

Для крупных озер в силу больших размеров и разнообразия глубин обычно проводится районирование акватории. Принято выделять естественные районы, называемые зонами, ландшафтами и т. п., где лимнические процессы имеют одинаковую направленность. Одной из важных причин разного уровня биологической продуктивности крупных озер является различие глубин — фактор, который в значительной степени определяет термические условия, интенсивность вертикального перемешивания вод и скорости мобилизации биогенов из придонного слоя воды в зону фотосинтеза (Николаев, 1976). Соотношение продукционных и деструкционных процессов в разных районах озера определяются в основном морфометрией озерной котловины. Преобладание низких температур воды в глубоководных районах снижает интенсивность биохимического разложения в отличие от мелководных (Антропогенное…, 1982).

Районирование Ладожского озера предпринималось в 1968 г. (Тепловой …, 1968), а затем в 1992 г. Гусаковым и Тержевиком (Ладожское…, 1992). Первое из упомянутых было достаточно формальным и не имело целью интерпретировать районы как лимнические. Районирование Гусакова и Тержевика, приведенное на рис. 3.1.4, до сих пор успешно используется исследователями Ладожского озера.

Рис. 3.1.4. Районирование Ладожского озера по Гусакову и Тержевику (Ладожское…, 1992), районы: прибрежный (пб), деклинальный (д), профундальный (пф) и ультрапрофундальный (уп).

По мере накопления информации о морфометрии озера и расширения решаемых задач на основе цифровой батиметрической модели Ладожского озера в ИНОЗ РАН проведено лимническое районирование глубин озера, необходимое для изучения эволюции физикохимических и биологических процессов в сезонном и годовом цикле. При этом использовались новые гипсометрическая кривая и гистограмма озера. Ладожское озеро было разбито на шесть районов: 1 – мелководный, 2 – переходный, 3 – район озёрного уступа, 4 – склоновый, 5 – глубоководный, 6 – впадины. На рис. 3.1.5 приводится распределение глубин Ладожского озера с границами лимнических районов, полученное на основе современной батиметрической модели.

Каждый из шести выделенных лимнических районов обладает специфическими особенностями (Ладожское…, 2002). При районировании были приняты во внимание обособленность или сочлененность районов между северной и южной частями озера. Это способствовало выделению районов озера, где темпы протекания лимнических процессов в значительной мере определяются характерным распределением глубин, специфическими условиями теплонакопления и теплоотдачи в годовом термическом цикле (Науменко, 1995, Ладожское…, 2002). Важно отметить, что среди более глубоких зон могут находиться подводные возвышенности, банки, вершины которых входят в состав более мелководных зон. Они имеют своеобразный температурный режим, свойственный мелководным зонам, что может определять повышенную продуктивность планктонных сообществ. Эти поднятия могут иметь и отличающиеся от соседних зон скорости осадконакопления. Поэтому внутри глубоководных зон могут существовать мелководные фрагменты, на что указывалось при районировании дна озера Байкал (Подводные…, 1990).

Рис. 3.1.5. Лимнические районы Ладожского озера (Ладожское…, 2002).

Статистические характеристики глубин H и уклонов лимнических районов Ладожского озера приводятся в табл. 3.1.1. В состав 1-го мелководного района входит литоральная зона (зона произрастания высшей водной растительности до глубины 8 м), которая занимает площадь 2543,0 км2, ее объем составляет V лит. = 9,67 км 3 (Науменко, 2013).

Морфометрические характеристики лимнических районов Ладожского озера Здесь глубина озера вычислена как средняя из всех значений глубин менее 0 м для эквидистантной сетки 425 х 345 узлов. Традиционная средняя глубина озера, т. е. отношение объема озера к его площади, составляет 47,7 м. Рассчитаны также значения наибольшей крутизны склонов в каждом узле цифровой модели Ладожского озера и его водосбора. Средний уклон дна Ладожского озера (0,48 при ср. кв. откл. 0,76) сравним со средним уклоном водосбора самого озера. Для водосбора Ладожского озера осредненный наибольший наклон земной поверхности составил 0,45 при максимальном значении 3,9. Безусловно, значения крутизны склонов водосбора несколько занижены из-за базового шага сетки 1 км по сравнению с 0,5 км для рельефа дна.

Наиболее выровненной является южная часть дна озера. Для нее характерно развитие слаборасчлененных поверхностей с незначительными относительными превышениями (1–3 м) и очень пологими уклонами (менее 0,2°). В этой части озера, начинающейся от уреза воды до глубины 18–20 м, мощность четвертичных отложений, по геофизическим данным, составляет 10– 15 м (Субетто, 2009). Общая выравненность рельефа, развитого на осадочных породах, обусловлена длительным воздействием процессов площадной денудации на квазигоризонтально залегающие, относительно малоустойчивые (по сравнению с кристаллическими породами) к размыву осадочные породы.

Полого-волнистая аккумулятивная поверхность (переходный район) расположена на глубинах 20–50 м. В этом районе увеличиваются значения дисперсии как глубин, так и уклонов. В восточной части района уклоны дна, как правило, больше, чем в западной. Характерной особенностью восточной части озера является наличие довольно крупной ложбины, которая хорошо очерчивается шестидесятиметровой изобатой с перепадом глубин от 40 до 92 м. Длина ложбины около 100 км, она простирается вдоль восточного берега на расстоянии около 20 км от него. На глубинах 65–80 м она имеет симметричное строение, выше на север восточная часть озера имеет меньшие отметки дна, чем западная. Уклоны дна на всем протяжении ложбины составляют около 0,25°. Склоны не террасированы, что свидетельствует об их непохожести на речные долины. Возможно, эта ложбина является долиной стока талых ледниковых вод, на что указывает Амантов (1993).

Срединная часть Ладожского озера, где расположен геометрический центр озера, представляет собой достаточно плоскую равнину, которая по статистическим характеристикам похожа на прибрежный район. Однако относительные превышения глубин возрастают. Район характеризуется холмисто-грядовыми поверхностями экзарационно-аккумулятивного рельефа. На большой площади дна располагаются плащи ледниковых отложений, перекрытых позднепослеледниковыми отложениями общей мощностью 20–30 м (Амантов, 1993). В этом районе появляются гряды и ложбины с протяженностью 5–15 км при высоте от поверхности дна до 30 м.

Уклоны этих образований достигают 1°, появляется несколько холмов с уклонами 2° на семидесятиметровой изобате. Однако уклоны в 2° существуют и в западной прибрежной части озера в районе Суханевской банки и Коневицкого пролива.

При продвижении на север расчлененность подводного рельефа Ладожского озера заметно увеличивается, относительные превышения крупных форм достигают 60–80 м. Такой морфологический облик рельефа обусловлен, по всей видимости, избирательной денудацией устойчивых к размыву кристаллических пород. Ряд крупных вытянутых возвышенностей, простирающихся с северо-северо-запада на юго-юго-восток, начинает появляться в склоновом и в следующем глубоководном районах. Вершины возвышенностей в этих районах могут являться островами, в частности Западного архипелага.

Резко расчлененный, контрастный рельеф северной части Ладожского озера отличен от менее холмистой поверхности дна центральной и южной частей озера. Четко выявляются различия в строении котловины южной и северной частей озера, граница между которыми условно проводится по линии Приозерск (западный берег) – Ууксу (северо-восточная часть озера).

Севернее этой линии сказывается влияние Балтийского кристаллического щита. В районе острова Валаам и севернее его, в ладожских шхерах, особенно на северо-западе озера, уклоны склонов могут превышать 5°. Для подводного рельефа указанные значения характеризуют довольно крутые склоны, которые встречаются редко. Их наличие является свидетельством того, что рельеф сложен породами (или выработан в породах), плохо поддающимися размыву. Выше описанный рельеф сформировался в результате длительного воздействия процессов комплексной денудации на поверхность кристаллических пород. Значительную роль в создании современного облика этих поверхностей сыграли покровные ледники. Их экзарационная деятельность привела к существенному увеличению расчлененности рельефа.

Северная часть озера, расположенная в области распространения кристаллических пород, имеет неровное дно с многочисленными глубокими впадинами, сильно изрезанными берегами и многочисленными островами. В Ладожском озере существует 16 обособленных впадин с глубинами более 140 м, которые в большинстве случаев совпадают с установленными или предполагаемыми разломами рифейского возраста. Уклоны во впадинах максимальные для лимнических районов. Дно впадин заполнено четвертичными отложениями, мощность которых доходит до 60–70 м (Субетто, 2009), однако на склонах их может не быть совсем, что определяется крайне неровной кровлей коренного субстрата.

Одним из важных выводов, получаемых из анализа батиметрической модели, может служить вывод об обособленности северной части озера от южной. Расчеты свидетельствуют о том, что основной водообмен между указанными частями идет через проливы западнее острова Валаам. Западные проливы глубже восточных примерно на 50 м., при этом поперечное сечение западных проливов превышает поперечное сечению восточных проливов на 76%.

Характер расчлененности территории является информативным признаком рельефа.

Вертикальное расчлененность подводного рельефа Ладожского озера больше, чем аналогичный показатель его частного водосбора (Науменко, Каретников, 2005). Сложность рельефа может быть определена амплитудой глубин различных районов. Чем севернее находится геометрический центр района, чем больше расчлененность и амплитуда подводного рельефа Ладожского озера.

Изложенные морфометрические особенности Ладоги и разработанные районирования акватории послужили основой для анализа происходящих в водной массе озера гидрохимических и гидробиологических процессов, результаты которого представлены в последующих разделах.

Распределение обстановок осадконакопления на дне Ладожского озера имеет четко проявленный асимметричный характер. В северной части озера отмечается преобладание зон аккумуляции, а в южной господствуют условия подводного размыва или «нулевой седиментации», что связано с особенностями геологического строения и рельефом дна, а также с палеогеографическими этапами развития Ладоги в позднем плейстоцене-голоцене.