В Монголии исследования сезонных термических режимов, вертикального распределения физико-химических параметров и содержания питательных веществ проводились в крупных глубоких озерах, таких как озеро Хувсгул [1] и озеро Увс [2], а также в соленых озерах западной части, таких как Тэлмэн, оз. Ойгон [3], оз. Цэгээн и оз.Хагийн-Хар [4]. Согласно имеющимся данным, 83,7 % всех озёр Монголии составляют небольшие озёра с площадью водной поверхности менее 1 км² [5]. Учёные под руководством Тао сообщили, что в период с 1980 по 2010 годы число небольших озёр на Монгольском плато быстро сокращается [6]. В частности, значительно уменьшилось количество озёр с площадью от 1 до 10 км², при этом полностью высохли 58 озёр общей площадью 220,2 км². Небольшие озёра, расположенные вблизи городских поселений, играют важную роль в экосистеме, обеспечивая возможности для отдыха, бытового водоснабжения, орошения сельскохозяйственных угодий, а также эстетического восприятия окружающей среды, оказывая значительное положительное влияние [7].

Несмотря на то, что эти небольшие озёра и водоёмы подвержены значительному воздействию загрязнения и повышенной нагрузке биогенных веществ, обусловленных антропогенной деятельностью, они до настоящего времени остаются недостаточно изученными [8]. Показатели качества воды (WQP) озёр, особенно вертикальное распределение растворённого кислорода, являются одними из ключевых данных для понимания биогеохимических циклов и изменений содержания питательных веществ в водоёме. В этой связи исследование современных показателей качества воды, и особенностей их вертикального распределения в небольших искусственных озёрах, расположенных вблизи городов, имеет важное значение для понимания будущих тенденций развития озёрных экосистем и их охраны. Целью настоящего исследования является определение суточное и сезонное изменения показателей качества воды озера и их вертикальные распределения.

Метод и материалы исследования

Местоположение: Озеро Булан, расположенное в 3-м районе Баг Дархан-Уульского аймака, находится в 0,6 км от песчано-гравийного карьера. ширина 1,1 км. Это озеро площадью 44,96 гектара [9]. Это озеро расположено в 650 м к западу от Центральной очистной станции в городе Дархан, на восточной стороне реки Хараа. Основным источником питания воды озера являются грунтовые воды и осадки в долине реки Хараа [8].

Таблица 1

Географическое положение озера Булан

Методология: Полевые исследования и измерения показателей для оценки качества воды в озере Булан проводились 26 августа 2022 года и 28 февраля 2023 года. В летних и осенних полевых исследованиях использовались небольшая лодка. Показатели качества воды, такие как pH, температура, мутность (NTU), соленость (%), растворенный кислород (DO) и электропроводность (EC), определялись в выбранных точках озера с помощью многопараметрического прибора для измерения качества воды (Toadkk, WQC-24, Япония) с интервалом в 1 метр (рис. 1).

Рис. 1. Метод исследования

Для определения суточной динамики изменений качества воды в озере измерения проводились в центральной части озера, на точке Булан- 2, с 10:00 до 20:00 с двухчасовыми интервалами. Глубина воды в этом точке составляла более 9 м, а параметры качества воды измерялись с интервалом в 1 м от поверхности до дна воды. Калибровка прибора всегда проверялась в лабораторных условиях перед началом полевых работ (рис. 1).

Результат исследования

Суточное изменение показателей качества воды в озере Булан. На точке Булан-2 был проведён детальный анализ суточной динамики показателей качества воды. В 10 часов утра показатель минерализации воды (pH) варьировал от поверхности до глубины 8 м в пределах 7.73±0.63, тогда как к 12 часам наблюдалось резкое увеличение — от поверхности к глубине значения достигали 8.92±1.55. Показатель солёности (Salinity) распределялся равномерно и оставался стабильным по всей глубине. Температура воды озера оставалась относительно стабильной до глубины 7 м, однако в интервале 7–8 м наблюдалось резкое снижение температуры с 17.6°С до 16.1°С. Показатель мутности (NTU) на поверхности колебался в пределах 19.3±3.6, а с увеличением глубины возрастал до 37.5±17. По профилю растворённого кислорода (DO) в летний период наблюдалась весьма интересная картина. В 10 часов утра содержание растворённого кислорода до глубины 6 м оставалось относительно стабильным и составляло 6.12±0.67, однако в слое 6–8 м резко снижалось с 5.45 до 0.65 мг/л. В вечернее время, в 20 часов, от поверхности до глубины 3 м содержание растворённого кислорода сохранялось стабильным на уровне 7.37±0.16 мг/л, тогда как в интервале 3–8 м происходило резкое снижение показателя с 7.21 до 2.04 мг/л. Концентрация растворённого кислорода зависит от температуры воды, давления, уровня солёности, а также биологической активности. Водные растения, животные и аэробные бактерии используют кислород в процессе жизнедеятельности. Кроме того, химические процессы окисления также приводят к снижению содержания кислорода (Дорж и др., 2005). При уменьшении содержания растворённого кислорода и повышении температуры воды усиливается метаболическая активность водных растений, вследствие чего возрастает их биохимическая потребность в кислороде. Низкое содержание растворённого кислорода ослабляет водные организмы и делает их более уязвимыми к различным заболеваниям, паразитам и другим видам загрязнения [9].

Суточное изменение показателей качества воды озера Булан вертикальный Профиль был создан с помощью программного обеспечения Origin Pro 2022 (Рис. 2).

Рис. 2. Озеро Булан. Суточное изменение показателей качества воды, их вертикальный профиль. Описание: WT — температура воды, EC — электропроводность, DO — растворенный кислород, NTU — мутность, Salinity — соленость

Сезонное изменение показатели качества воды в озере Булан

Результаты полевых исследований показали, что pH водной среды находится в пределах 6.21–9.1, что соответствует нейтральной и щелочной среде. Содержание растворённого кислорода в весенний, летний и осенний периоды составляло 2.38–18.5 мг/л, тогда как зимой наблюдались сравнительно низкие значения — 0.98–4.50 мг/л. Эти показатели ниже нормативов для поверхностных вод и характеризуются снижением концентрации кислорода с увеличением глубины. Снижение содержания кислорода, вероятно, связано с потреблением его живыми организмами в придонных слоях, а также с процессами разложения отмерших водных растений, что приводит к уменьшению уровня кислорода в воде. Данный процесс отрицательно влияет на жизненные стадии водных растений и может представлять угрозу гибели рыб [9]. Кроме того, в зимний период из-за недостаточного проникновения солнечной радиации под лёд процессы фотосинтеза ослабевают либо полностью прекращаются. Это может приводить к дефициту кислорода, вследствие чего мелководные озёра становятся бескислородными, а в конце зимы возрастает риск массовой гибели рыбы. Некоторые исследователи также установили, что мелководные озёра, особенно придонные слои воды под ледяным покровом, подвержены кислородному дефициту [10].

Анализ зимнего профиля (рис.3.а) показателей качества воды показывает, что в озере Булан под воздействием ледяного покрова формируется стратификация водной толщи. В результате элементы, биогенные вещества и другие химические соединения в озере становятся малоподвижными и не могут окисляться при контакте с атмосферным воздухом. Вследствие этого в придонных слоях и вблизи донных отложений наблюдается увеличение уровня биогенного загрязнения. Температура воды на глубине составляет около 4°С, что является достаточным условием для разложения органических веществ [11], однако для полного протекания процессов разложения отсутствует необходимое количество растворённого кислорода (O₂). Поскольку образование нового кислорода в этих условиях невозможно, концентрация биогенных загрязняющих веществ продолжает возрастать. Весной (рис.3. б) на точке Булан-1 показатель pH водной среды от поверхности до глубины 2 м составлял 8.1±0.2, тогда как ниже 3 м колебался до 8.9, что соответствует щелочной среде. На точках Булан-2 и Булан-3 измеренные значения находились в пределах 7.5±0.5. Показатели электропроводности и солёности оставались относительно стабильными по всей глубине. Мутность воды на поверхности составляла 12.1±0.8 NTU, а с увеличением глубины возрастала до 15±1.4 NTU. По сравнению с зимним периодом данный показатель увеличился примерно в 4 раза. Основными факторами, повышающими мутность воды, являются эрозия почв, увеличение содержания питательных веществ вследствие цветения водорослей, сточные воды, а также активность донных организмов, приводящая к перемешиванию донных отложений. Повышенная мутность уменьшает проникновение солнечного света в толщу воды, вследствие чего снижается интенсивность фотосинтеза и уменьшается количество кислорода, вырабатываемого водными растениями [11]. Кроме того, наиболее высокая температура воды на поверхности достигала 10.2°С, что, вероятно, связано с влиянием температуры окружающей среды в момент проведения измерений. Ниже глубины 1 м температура воды озера оставалась относительно стабильной в пределах 6.3–7.6°С, что свидетельствует о недавнем завершении процесса весенней циркуляции (перемешивания) водной массы озера. Содержание растворённого кислорода по сравнению с зимним периодом резко увеличилось и составило 13.6–18.5 мг/л. Это связано с полным таянием ледяного покрова и активизацией фотосинтетических процессов, сопровождающихся выделением кислорода. Вместе с тем существует вероятность проникновения талых и грунтовых вод в озеро вследствие сезонного оттаивания почвы.

Рис. 3. Вертикальный профиль сезонных изменений показателей качества воды озера Булан. Примечание: (a) зима (25.02.2022), (b) весна (30.04.2022), (c) лето (27.08.2022) и (d) осень (26.09.2021); WT — температура воды, EC — электропроводность, DO — растворенный кислород, NTU — мутность; открытый треугольник — Булан-1, закрытый квадрат — Булан-2, открытый круг — Булан-3. Источник: [8]; Обновлено 27.08.2022

В летний период (рис.3. с) значения pH воды озера Булан на поверхности колебались в пределах 8.79–9.17. Осеннее состояние озера характеризовалось относительно стабильными показателями, что обусловлено процессами циркуляции воды в озере. Значения pH составляли 8.04±0.94, температура воды — 12.5–15.6°С, а содержание растворённого кислорода — 2.93–6.13 мг/л [12].

Термическая стратификация воды, их толщина. В природных небольших и мелководных озёрах воздействие ветра может охватывать всю толщу воды, поэтому вода постоянно перемешивается, и устойчивая термическая стратификация обычно не формируется. Однако это не означает, что все небольшие озёра полностью лишены стратификации. Если озеро достаточно глубокое, защищено от ветра или в летний период подвергается сильному прогреву, может возникать временная температурная стратификация. Так как озеро Булан образовалось в гравийном карьере, сравнительно глубокое и узкое озеро. Дж. Падисаз и другие определили формулу подсчета глубину образования термическую стратификацию в небольших озерах с площадью 0,5–7,5 км.

Установлено, что в мелких и неглубоких озёрах существует тесная взаимосвязь между эпилимнионным слоем и другими показателями качества воды. На толщину эпилимниона в озёрах влияют такие факторы, как температура воды и ветровое воздействие [13]. С увеличением средней ветровой нагрузки на поверхность озера возрастает толщина эпилимнионного слоя. При этом наблюдается сильная зависимость между формой и размерами озера и глубиной эпилимниона. Данная зависимость может быть рассчитана с использованием уравнения (1). Это уравнение применимо для озёр с длиной и шириной в диапазоне 0,5–7,5 км, поэтому его можно использовать для озера Булан.

Озеро Булан (1)

E (m) = глубина Эпилимниона

Leff (км) = длина водяного зеркала озера

Weff (км) = ширина водяного зеркала озера.

Согласно расчётам, глубина эпилимниона озера Булан составляет 4–5 м, что хорошо согласуется с результатами проведённых нами измерений. Это свидетельствует о том, что в озере Булан сезонная термическая стратификация формируется дважды в год: зимой и летом.

Вывод. Согласно предыдущим исследованиям, проведенным на озере Булан, загрязнение питательными веществами усиливается зимой и летом и сильно накапливается на дне. В результате на северо-западе озера Булан наблюдается резкое изменение глубины на 7–8 метров. Хотя влияние зимней и летней стратификации воды на физико-химический и биологический цикл весенне-осеннего озера, являющееся основной характеристикой озер, расположенных в северном полушарии, неизбежно, необходимо детально изучить влияние все более коротких зим и более ранней и продолжительной летней стратификации, обусловленных изменением климата.

Литература:

1. E. Tarasova and E. A. Mamontova, “The spatial and time change ability of chemical composition of water of Lake Hovsgol (Mongolia),” Environmental Chemistry, vol. 26 (2), no. January, pp. 87–100, 2017.
2. M. Paul, “Limnological aspects of the Uvs Nuur Basin in northwest,” Technische Universitat Dresden, 2012.
3. B. Enkhee, B. Chuluun, B. Baatar, S. Nyamdorj, S.-L. Tang, and B. Oyuntsetseg, “Vertical Profile of Water and Sediment in Lake Oigon,” 2021.
4. B. Baatar, B. Chuluun, S. L. Tang, O. Bayanjargal, and B. Oyuntsetseg, “Vertical distribution of physical–chemical features of water and bottom sediments in four saline lakes of the Khangai mountain region, Western Mongolia,” Environ. Earth Sci., vol. 76, no. 3, Feb. 2017, doi: 10.1007/s12665–017–6447–6.
5. “Ж.Цэрэнсодном -Монгол орны нуурын каталог(цэс) УБ2000 — ГЗЦНС2022”.
6. S. Tao et al., “Rapid loss of lakes on the Mongolian Plateau,” Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 112, no. 7, pp. 2281–2286, Feb. 2015, doi: 10.1073/pnas.1411748112.
7. M. T. Dokulil and K. Teubner, “Eutrophication and restoration of shallow lakes-the concept of stable equilibria revisited,” 2003.
   1. Baterdene et al., “Seasonal Variation and Vertical Distribution of Inorganic Nutrients in a Small Artificial Lake, Lake Bulan, in Mongolia,” Water (Switzerland), vol. 14, no. 12, Jun. 2022, doi: 10.3390/w14121916.
   2. Bayarsaikhan et al., “Study of pond fish, viruses, parasites, bacteria disease,” Ulaanbaatar, Mongolia, 2018.
8. “vertikalnaya-stratifikatsiya-vodnyh-mass-v-malyh-ozerah-lesostepnogo-povolzhya”.
9. Жавзан.Ч., Орхон голын сав газрын гидрохими. Шинжлэх ухааны академи. Геоэкологийн хүрээлэн. Улаанбаатар, Монгол: Мөнхийн үсэг ХХК, 2011.
10. З. Баасанжав, “Дархан — уул аймаг дахь булан нуурын усны экологийн төлөв байдлын дархан — уул аймаг дахь булан нуурын усны экологийн төлөв байдлын физик — химийн үнэлгээ,” МУИС, Улаанбаатар, 2022.
11. S. Massé, M. Botrel, D. A. Walsh, and R. Maranger, “Annual nitrification dynamics in a seasonally ice-covered lake,” PLoS One, vol. 14, no. 3, Mar. 2019, doi: 10.1371/journal.pone.0213748.