Известия РАН. Серия географическая, 2022, T. 86, № 5, стр. 697-714

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших экологических проблем в последние десятилетия является глобальная трансформация климата. Наблюдаемое потепление приводит к изменению важнейшей компоненты гидрологического цикла рек и водохранилищ – водного стока, трансформация которого нарушает их водохозяйственное использование для бесперебойного обеспечения нужд экономики и населения и изменяет качество воды. Многолетняя динамика речного стока на территории РФ в XX – начале XXI вв. отличается разнонаправленностью (Научно-прикладной …, 2021; Черенкова, Сидорова, 2021). На большей части территории РФ отмечается увеличение годового стока, наиболее значительное в северной части бассейна Волги и верховьях Северной Двины, Урала, Иртыша, в северной и центральной частях Азиатской территории России. На юге, в бассейнах Нижней Волги, Дона и Днепра, наоборот, зафиксировано снижение годового стока и более частое наблюдение маловодных лет. Для большинства рек европейской части России (ЕЧР) со снеговым типом питания отмечено внутригодовое перераспределение водного стока: сокращение доли в весенний период и увеличение в маловодные сезоны (Георгиевский, 2018; Джамалов и др., 2015; Дмитриева, Нефедова, 2018; Сивохип и др., 2019; Черенкова, Сидорова, 2021). Основная причина данной трансформации – рост приземных температур в холодный сезон. В результате частых оттепелей водность рек ЕЧР в течение зимнего периода возрастает, а запасы воды в снежном покрове к началу весны уменьшаются, что создает условия для снижения объема весеннего половодья. Подобная тенденция сохраняется и на крупных водохранилищах, несмотря на то, что их гидрологический режим в значительной мере определяется зарегулированием стока и изъятием воды на орошение и другие нужды (Научно-прикладной …, 2017).

В водоемах трансформация климата способствует увеличению продолжительности явлений аноксии в гиполимнионе, перестройке циклов биогенных элементов, снижению прозрачности, изменению биоразнообразия и др. (Вишневський, 2020; Калинкина и др., 2018; Корнева и др., 2019; Лазарева и др., 2018; Линник, 2020; Структура …, 2018; Höök et al., 2020; Shashulovskaya et al., 2021). Несмотря на общие закономерности, в каждом конкретном водоеме присутствуют свои особенности, зависящие от климатических, гидрологических и морфометрических характеристик, а также антропогенной нагрузки.

Пространственно-временная изменчивость водного режима усугубляется в степных регионах России ввиду ограниченной обеспеченности водными ресурсами в условиях семиаридного климата. Глубоководное Ириклинское водохранилище – самый крупный искусственный водоем комплексного назначения, созданный на трансграничной р. Урал в ее верхнем течении. Интенсивное хозяйственное освоение водосборного бассейна привело к загрязнению акватории сточными водами горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, значительная часть которых вносится в водоем с основным стоком р. Урал, протекающим через Заводской пруд Магнитогорского металлургического комбината (Шашуловская, Мосияш, 2020). Ириклинское водохранилище регулирует водность среднего течения реки Урал и оказывает существенное воздействие на его самоочищающую способность (Шашуловская и др., 2017).

Исследуемое водохранилище и его водосборный бассейн входят в категорию наиболее изученных объектов Росгидромета в области гидрологии (Научно-прикладной …, 2017). Тем не менее значительное количество разновременных гидрохимических исследований (Балабанова, 1971; Павлейчик, Сивохип, 2013; Соловых и др., 2003; Чибилев и др., 2006) отличается фрагментарностью, что не позволило выявить достоверных количественных закономерностей в изменениях качества воды искусственного водоема.

Несмотря на определенную устойчивость экосистемы Ириклинского водохранилища (Шашуловская, Мосияш, 2019), перераспределение внутригодового стока изменяет режим базовых гидрохимических компонентов, как важнейшую характеристику качества вод, определяющую их биологическую продуктивность.

Для понимания особенностей формирования химического состава в условиях изменения климата используют данные долговременных наблюдений на различных водных объектах и установленные зависимости между гидрохимическими и климатическими параметрами. На ЕЧР и Украине многолетние исследования проводятся на небольшом количестве водоемов, к которым можно отнести некоторые водохранилища Верхней и Нижней Волги, Днепра и др. (Жежеря и др., 2021; Моисеенко и др., 2011; Структура …, 2018; Datsenko and Puklakov, 2020; Shashulovskaya et al., 2021).

Таким образом, цель нашей работы – анализ пространственно-временных изменений основных гидрохимических показателей Ириклинского водохранилища во втором десятилетии XXI в. на фоне климатической трансформации. Основные задачи включали фиксацию внутригодового изменения водного притока к водохранилищу, анализ динамики осадков и приземной температуры воздуха на территории Оренбургской области, а также установление характера трансформации основных ионов, биогенных элементов и органического вещества в воде водохранилища в современных условиях.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Краткая характеристика Ириклинского водохранилища. Водоем расположен на территории Оренбургской области в бывшем Ириклинском ущелье Уральского горного сооружения и представляет собой цепь русловых озеровидных расширений со скалистыми берегами. Верхние плесы (Чапаевский и Софинский) мелководные с максимальными глубинами до 15 м. В нижних плесах (Таналык-Суундукский и Приплотинный) наибольшие глубины достигают 28–36 м (Чибилев и др., 2006). Для водохранилища характерен слабый водообмен (один раз в два года). Его длина 75 км, объем – 3.25 км³. Особенность р. Урал – маловодность бассейна и большие колебания объема стока по годам и сезонам, что определяется климатическими условиями и характером подстилающих горизонтов.

В работе использованы собственные исследования Ириклинского водохранилища в 2010–2019 гг.; литературные данные (Соловых и др., 2003; Чибилев и др., 2006) приведены для сравнения с 1975–1990 гг., когда (предположительно) изменения климата еще не сказывались на гидрохимическом режиме. Отбор проб осуществляли на русловых (поверхностный и придонный горизонты) и прибрежных участках с учетом вегетационного сезона (в мае, июле и октябре) по стандартным мониторинговым разрезам (рис. 1). Всего проанализировано 464 пробы.

Рис. 1.

Карта-схема Ириклинского водохранилища. Плесы: I – Чапаевский, II – Софинский, III – Таналык-Суундукский, IV – Приплотинный.

Определяли температуру и величину прозрачности воды, реакцию среды (рН), содержание растворенного кислорода, трех форм минерального азота, минерального фосфора, общего железа и кремния. Динамику органического вещества (ОВ) в воде водохранилища оценивали по показателям цветности, перманганатной (ПО) и бихроматной (ХПК) окисляемости, БПК₅. Минерализацию рассчитывали как сумму показателей главных ионов (на основании определения общей жесткости, ${\text{C}}{{{\text{a}}}^{{2 + }}}$, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, ${\text{C}}{{{\text{l}}}^{ - }},$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}).$ За величину минерального азота принимали сумму его аммонийной, нитритной и нитратной форм. Обработку гидрохимического материала осуществляли по общепринятым методикам фотометрического и титриметрического анализов. Объем водного притока к водохранилищу оценивали по материалам, доступным на сайте “Управление эксплуатации Ириклинского водохранилища”¹¹. Данные по температуре воздуха и количеству осадков на территории Оренбургской области в рассматриваемый период получены из ресурсов ВНИИГМИ-МЦД²².

Многолетнюю динамику исследуемых ингредиентов оценивали по их среднесезонным концентрациям. Статистическую обработку данных выполняли с использованием программной среды MS Excel (2007), а также специализированного статистического пакета SPSS 13.0 (Apache Software Foundation, 2004). Для установления взаимосвязей между переменными использовали коэффициент корреляции (r) Пирсона.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Краткая характеристика метеорологических и гидрологических условий. На территории Оренбургской области среднегодовая приземная температурa воздуха в период исследования колебалась в пределах 2.9–5.5°С. Наиболее значительные изменения произошли в холодное время года. Зарегистрирован рост зимних температур со скоростью около 0.4°С в год (R² = 0.22 при р = = 0.14) (рис. 2а). За два десятилетия нового века отмечено уменьшение годового количества осадков (R² = 0.12 при р = 0.07) преимущественно за счет летних месяцев (рис. 2б).

Рис. 2.

Изменения средней температуры приземного воздуха (а) и количества осадков (б) на территории Оренбургской области в 2000–2019 гг. Примечание: здесь и на рис. 4–8 мелкими пунктирными линиями обозначены основные тенденции или тренды изменения показателей.

Период 2010–2019 гг. характеризовался отсутствием выраженных тенденций в динамике межгодовых величин водного притока Ириклинского водохранилища (рис. 3). При этом можно отметить значительную амплитуду колебаний его объема. Например, 2010 и особенно 2019 г. были самыми маловодными, приток воды к водохранилищу в это время в количестве 0.63–0.80 км³ был почти в 4 раза ниже, чем в многоводный период 2013–2014 гг.

Рис. 3.

Суммарный приток воды к Ириклинскому водохранилищу в 2010–2019 гг.

Произошло и внутригодовое перераспределение водного притока (рис. 4а). Его доля в зимний период достоверно увеличилась (R² = 0.52, p = 0.03) почти в 2 раза (с 6 до 15%), а в половодье, наоборот, наблюдалась слабая тенденция к снижению (R² = = 0.27, p = 0.12). Минимальных значений (27–40%) доля весеннего притока достигла в 2013 и 2015 гг.

Рис. 4.

Динамика весеннего и зимнего притока воды (в долях %) (а) и колебания средней за июль температуры воздуха и поверхностного горизонта воды (б) Ириклинского водохранилища в 2010–2019 гг.

Особенности морфометрии водоема оказывают влияние на его термический режим. В исследуемые годы температура воды в водохранилище колебалась от 3.0°С в октябре до 28.5°С в июле. Весной наиболее прогретым оказывался верхний Чапаевский плес, летом температурный режим водохранилища был в основном равномерный. В октябре глубоководный Приплотинный плес остывал медленнее, и температура воды на его акватории была в среднем на 3.7°С выше, чем в верховье водоема.

Наиболее холодным было лето 2014 г.: средняя температура воды составила 19.2°С по сравнению с 23.0–23.2°С в 2011–2012 гг. (рис. 4б). Значимых трендов в межгодовой динамике июльской температуры воды в исследуемые годы не прослеживалось.

Прозрачность воды, реакция среды (рН), кислородный режим. Особенностью Ириклинского водохранилища, несмотря на его глубоководность и низкий водообмен, является относительно невысокая прозрачность воды во все сезоны (от 0.5 до 3.3 м) при средних значениях 1.5–1.8 м. Величина этого показателя определяется, главным образом, наличием взвешенных частиц, существенным источником которых может служить волновой размыв берегов с “мягкими породами” при ветрах значительной силы, характерных для района водохранилища (Соловых и др., 2003). Величина рН в большинстве проб сдвинута в щелочную сторону (7.6–9.2). Наиболее высокие значения зарегистрированы в верховьях водоема.

Концентрация растворенного О₂ колебалась в пределах 4.0–13.9 мг/л, низкие значения (<6.0 мг/л) отмечались в единичных придонных пробах. Весной и осенью в водоеме наблюдалась гомооксигения, а в период летней стагнации, как правило, отмечалась стратификация по кислороду.

Минеральный состав. В макрокомпонентном составе воды Ириклинского водохранилища преобладающими анионами во все сезоны являются гидрокарбонаты, на долю которых приходится 23–26% (Шашуловская, Мосияш, 2020). Соотношение хлоридов и сульфатов практически одинаковое. К доминирующим катионам относятся, главным образом, магний или натрий, причем их соотношение близко к единице.

В верховьях (Чапаевский и Софинский плесы) сумма солей весной наименьшая за счет наполнения водохранилища паводковыми водами, к осени минерализация возрастает. В Таналык-Суундукском и Приплотинном плесах минерализация в сезонном аспекте остается практически неизменной. Вероятно, в результате замедленного водообмена в нижней части водоема сохраняется водная масса, сформированная водами весеннего половодья (Шашуловская, Мосияш, 2020). В межгодовой динамике отмечено увеличение минерализации (R² = 0.37, р = 0.07) и основных ионов: суммы Na⁺ и К⁺ (R² = 0.72, р = 0.01), гидрокарбонатов и сульфатов (R² = 0.29–0.31, р > 0.05) (рис. 5а, б).

Рис. 5.

Динамика минерализации (а) и некоторых главных ионов (б) в воде Ириклинского водохранилищав в вегетационный период 2010–2019 гг.

Органическое вещество. Цветность воды, главным образом, характеризует содержание окрашенных гуминовых веществ аллохтонного происхождения. Максимальные величины показателя наблюдали весной (табл. 1). Тем не менее, осенние дождевые паводки, характерные для бассейна р. Урал, после взаимодействия с почвенным и растительным покровом на водосборе также приводят к увеличению интенсивности окраски воды. Так, в 2013 г. в период сильных дождевых осенних паводков, значения цветности превышали весенние в 2 раза. Однако, основное количество окрашенных веществ поступает в водохранилище в половодье: коэффициент корреляции между величиной цветности и объемом притока за апрель–май исследуемых лет составил 0.66 при р = 0.05. В верховье водохранилища величина цветности была в 1.5 раза выше, чем на остальной акватории (табл. 2).

По продольной оси водоема отмечается понижение значений ПО от Чапаевского плеса к Приплотинному (см. табл. 2). Пространственное распределение этого показателя было связано с цветностью достоверными корреляционными отношениями весной (r = 0.82 при р = 0.01) и летом (r = 0.67 при р = = 0.05). Осенью в результате вклада автохтонной органики в величину ПО достоверная корреляция с цветностью отсутствовала. В межгодовой динамике аллохтонного ОВ можно отметить отрицательную тенденцию (R² = 0.29–0.32, р > 0.05) (рис. 6).

Рис. 6.

Изменение содержания аллохтонного ОВ (по показателям цветности и ПО) в воде Ириклинского водохранилища в вегетационный период 2011–2019 гг.

Колебания концентрации легкоокисляемого ОВ (по БПК₅) в исследуемый период наблюдали в широком диапазоне от 0.6 до 4.6 мгО₂/л (см. табл. 1). По продольной оси отмечено снижение значений показателя, минимальные величины характерны для Приплотинного плеса (см. табл. 2). Более высокое содержание легкоокисляемой фракции ОВ в целом по водохранилищу регистрировали поздней весной и в летний период, а к осени наблюдали снижение средних концентраций.

Максимальное содержание общего ОВ (по ХПК) зафиксировано в Чапаевском плесе. Сезонная динамика показателя слабо выражена (см. табл. 2). В летний период наблюдалась высокая достоверная связь ХПК с величиной БПК₅ (r = 0.70, при р = 0.03). Вероятно, при повышении температуры существенную долю в общем ОВ составляло автохтонное вещество, образующееся при фотосинтетической активности фитопланктона. Значимых тенденций в межгодовых колебаниях общего ОВ, как и легкоокисляемого, за исследованный период не отмечено.

Биогенные элементы. В Ириклинском водохранилище преобладающей формой минерального азота является аммоний, содержание которого в течение вегетационного сезона 2010–2019 гг. колебалось в диапазоне: от <0.04 до 0.38 мгN/л (табл. 3, 4). Наиболее высокие величины отмечены весной и летом. В период половодья установлена достоверная связь (r = 0.69, p = 0.04) между концентрацией аммония и объемом водного притока. Летом и осенью в результате интенсификации минерализационных процессов в воде накапливаются минеральные формы азота и, в первую очередь, ионы аммония. Коэффициент корреляции r между показателями ХПК и аммонийным азотом летом составил 0.73 при p = 0.02, осенью – 0.70 при p = 0.04. Максимальные концентрации аммония в исследуемый период отмечены в верховье водоема в Чапаевском и Софинском плесах, на остальной акватории его величины были почти в 2 раза ниже (см. табл. 4). Стратификация по содержанию аммония наиболее выражена в глубоководном Таналык-Суундукском плесе. В весенний и летний периоды верхние слои прогревались более быстрыми темпами и содержание ионов аммония в поверхностном горизонте на отдельных участках было в 1.4–4.0 раза выше, чем в придонном. За рассматриваемые годы отмечено достоверное снижение не только весенних, но и средневегетационных концентраций азота аммония (R² = 0.56–0.76 при р < 0.05) (рис. 7а).

Рис. 7.

Динамика форм минерального азота (а) и изменения концентраций минерального азота и притока воды (б) Ириклинского водохранилища в вегетационный период 2010–2019 гг.

Низкое содержание нитритов, в основном от <0.006 до 0.028 мгN/л, свидетельствует о свободном протекании процесса нитрификации в водохранилище. Максимальные концентрации 0.13–0.17 мгN/л отмечены эпизодически в весенний период на литоральных участках, что указывает на поступление этих соединений с водосбора.

Распределение нитратов по продольной оси водохранилища, такое же, как и аммонийного иона: максимальные концентрации характерны для верхних плесов, где сильнее сказывается влияние половодья (см. табл. 4). Стратификация по иону ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ выражена в большей степени на глубоководных нижних плесах. В сезонной динамике максимальные концентрации наблюдали в период весеннего половодья (см. табл. 3). В это время отмечена сильная корреляционная связь (r = 0.83, p = 0.01) между содержанием нитратов и величинами цветности воды, свидетельствующая о значительной роли водосбора в балансе ингредиента. В летний период фиксировали существенное снижение концентрации нитратного азота вследствие его потребления автотрофами (см. табл. 3). Осенью отмечена сильная корреляция между содержанием нитратов и притоком (r = 0.93, р < 0.5). Межгодовая динамика нитратов, в отличие от аммония, не имеет выраженного тренда (см. рис. 7а) и коррелирует с величинами годового притока (r = 0.82, р = 0.00).

В целом, за исследуемый период отмечена сильная связь содержания минерального азота и объема притока в вегетационный сезон (r = 0.70, р = 0.02), в межгодовой динамике прослеживается слабая тенденция снижения (R² = 0.26 при р = 0.13) его концентрации (рис. 7б).

Содержание фосфора минерального колебалось в более узких пределах, чем соединений азота (см. табл. 3, 4), но на отдельных станциях в летний период наблюдалось существенное повышение его концентраций до 0.14–0.17 мг/л. По продольной оси водохранилища отмечено снижение количества фосфатов, концентрации которых в верховье были почти в 2 раза выше, чем на приплотинном участке. Стратификацию по фосфору наблюдали на многих станциях. Наибольшее различие между поверхностным и придонным горизонтом по содержанию этого элемента (в 2.9–3.2 раза) отмечено в летний период на Приплотинном плесе в условиях пониженного содержания растворенного кислорода (до 4 мг/л). В период половодья фиксировали наличие корреляции (r = 0.68 при р = 0.04) между содержанием фосфора и цветностью. В сезонной димамике отмечено увеличение содержания фосфатов к осени (см. табл. 3), в годы повышенной водности концентрация этого элемента снижалась (рис. 8). За 2010–2019 гг. прослеживалась слабая тенденция увеличения (R² = 0.14 при р = 0.30) содержания фосфора в воде Ириклинского водохранилища.

Рис. 8.

Динамика минерального фосфора и притока воды Ириклинского водохранилища в вегетационный период 2010–2019 гг.

В период весеннего половодья отмечена достоверная положительная связь содержания растворенного кремния с величиной притока воды к водохранилищу (r = 0.81 при p = 0.01) (рис. 9а), с цветностью и ПО (r = 0.72–0.75 при p < 0.05), что может указывать на поступление элемента с водосбора в виде кремнийорганических комплексов. В летний период концентрация Si несколько снижалась (см. табл. 3) в результате вовлечения элемента в биологический круговорот. Стратификация содержания кремния отмечена в летний период на акватории Приплотинного плеса. В межгодовой динамике следует отметить тенденцию (R² = 0.31, p = 0.06) снижения концентрации элемента.

Рис. 9.

Изменения содержания кремния весной (а) и общего железа в вегетационный сезон (б) в воде Ириклинского водохранилища от притока в половодье в 2010–2019 гг.

Количество общего железа за исследуемые годы изменялось в диапазоне от 0.06 до 0.31 мг/л, максимальные величины характерны для весеннего периода (см. табл. 3). В это время корреляционный анализ выявил значимые связи (р < 0.5) содержания железа с объемом притока к водохранилищу (r = 0.57), с ПО (r = 0.89) и цветностью воды (r = 0.75). Придонные горизонты содержали, как правило, более высокие (в среднем в 1.2–1.3 раза) концентрации элемента. Наибольшая стратификация характерна для Чапаевского и Таналык-Суундукского плесов. Объем весеннего притока определяет содержание железа в течение всего вегетационного сезона (рис. 9б). Коэффициент корреляции между этими показателями составил 0.74 при р = 0.02. Максимальные концентрации зарегистрированы в верховьях водохранилища. Тренда изменений концентрации железа за исследуемый период не зарегистрировано.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Особенностью бассейна р. Урал, в отличие от других рек ЕЧР, является крайняя неравномерность многолетней динамики годового стока, которая выражается в сложном чередовании циклов различной водности и продолжительности (Сивохип и др., 2019), и, как следствие, отсутствии достоверных трендов (Научно-прикладной …, 2021). Формирование гидрохимического режима Ириклинского водохранилища во втором десятилетии XXI в. происходит в условиях маловодной фазы. Основной приходной составляющей стока являются атмосферные осадки. Их сезонное распределение на территории Оренбургской области, как и всего Южноуральского региона, неравномерно, в связи с чем наблюдаются длительные засухи. Испарение с водной поверхности может превышать количество осадков в 2 раза (Чибилев и др., 2006). Исследования показали, что на фоне глобального потепления в последние десятилетия в средних широтах наблюдается рост количества осадков над сушей, на юге ЕЧР, в частности на Южном Урале, наоборот, увеличивается повторяемость и интенсивность засух в летний период (Васильев и др., 2020; Черенкова, Сидорова, 2021). Снижение количества осадков в летний период, а также в целом за год и увеличение амплитуды их колебаний на территории Оренбургской области (см. рис. 2б) отражает общую тенденцию, характерную в начале XXI в. для южных регионов ЕЧР. По сравнению с 70–80-ми годами прошлого столетия количество осадков в настоящее время практически не изменилось, однако увеличилась амплитуда и максимальные значения (табл. 5), что также можно считать аргументами в пользу возросшей изменчивости климата в современных условиях (Доклад …, 2020).

Увеличение доли притока к Ириклинскому водохранилищу в меженный зимний период и снижение в половодье в последнее десятилетие отражает современную эколого-гидрологическую обстановку на большинстве рек ЕЧР (Научно-прикладной …, 2021). Причина такого явления – увеличение приземной температуры воздуха в зимний период, что приводит к частым оттепелям. На территории Оренбургской области наиболее заметные изменения в приземной температуре воздуха произошли в последнем десятилетии, когда почти на 1°С увеличились средняя температура за июль и, как следствие, ее среднегодовое значение (см. табл. 5). В результате зимнего потепления образовавшаяся влага расходуется на пополнение подземных вод, что приводит к дефициту объема весеннего половодья. Увеличение доли подземного питания водохранилищ сопровождается ростом минерализации воды в них, что наблюдается и в Ириклинском водохранилище в межгодовой динамике 2010–2019 гг. В первую очередь отмечено повышение сульфатов, гидрокарбонатов и суммы щелочных элементов (см. рис. 5а, б). Кроме того, в засушливых регионах потепление может усиливать процессы засоления почв на водосборах, приводить к возрастанию минерализации вследствие превышения испарения над осадками (Моисеенко и др., 2011).

По сравнению с 70–80-ми годами прошлого столетия в воде Ириклинского водохранилища снизилась доля кальция и сульфатов за счет увеличения магния и гидрокарбонатов (Шашуловская, Мосияш, 2020), однако, величина минерализации осталась на прежнем уровне (см. табл. 5). Вероятными причинами произошедшей трансформации могут быть изменения климатических условий и хозяйственной деятельности на водосборе.

Основной фазой водного режима Ириклинского водохранилища является весеннее половодье, во время которого в водоем поступает до 40–85% водной массы, содержащей значительные количества ОВ и биогенных элементов. Кроме того, возможны локальные воздействия – поверхностно-склоновый сток во время дождевых летних или осенних паводков, сточные промышленно-бытовые воды.

Значительная часть аллохтонного ОВ поступает в Ириклинское водохранилище с речным притоком весной. В это время в водоем привносятся вещества гуминовой природы терригенного происхождения, включающие продукты неполного разложения растительных и животных остатков. Нами отмечена сильная корреляционная связь цветности воды и объема притока к водохранилищу в весенний период, что позволило предположить аллохтонный источник в генезисе этой группы веществ. В межгодовой динамике аллохтонного ОВ Ириклинского водохранилища просматривается отрицательная тенденция. Причиной такого явления могло стать сокращение количества осадков на территории центра ЕЧР в начале XXI в. (Доклад …, 2020), что способствовало, вероятно, уменьшению концентрации гумусовых веществ, вымываемых из верхних горизонтов почв. Взаимосвязь между интенсивностью осадков и содержанием растворенного ОВ фиксировали для мелководного озера в Южной Америке и бореальных озер Швеции (Bastidas Navarro and Modenutti, 2012; Weyhenmeyer et al., 2016). Авторы работы (Kokorite et al., 2012) при анализе долгосрочных изменений концентрации растворенного ОВ и цветности в речных водах Латвии объясняют положительные тенденции этих показателей в том числе и увеличением осадков.

Количество аллохтонного ОВ в Ириклинском водохранилище невелико, о чем свидетельствуют низкие величины ПО, обусловленные геохимическими особенностями водосборной территории гидрографического региона Южного Зауралья – отсутствием болот и торфяников, т.е., источников гуминовых кислот (Соловых и др., 2003). Значительная часть ОВ в водохранилище преимущественно автохтонного происхождения (образуется в результате фотосинтеза и деструкции детрита). Возможно, значительное время водообмена водоема (один раз в два года) способствует осаждению аллохтонного ОВ и накоплению автохтонного. О том, что ОВ в водохранилище в основном внутриводоемного происхождения свидетельствуют не только малые значения ПО, но и отношение ПО/ХПК (Скопинцев, Гончарова, 1987). Величины ПО/ХПК достигали 19–20%, слабо изменяясь по сезонам (см. табл. 1), в то время как в водоемах Карелии (например, в Онежском озере) это соотношение весной достигало 42–55% (Сабылина и др., 2010). В некоторых водоемах (Структура …, 2018; Shashulovskaya et al., 2021) величина БПК₅ в течение вегетационного сезона положительно коррелирует с температурой воды. Для Ириклинского водохранилища вследствие больших глубин температурный фактор не оказывает значительного влияния на содержание лабильного ОВ (Шашуловская, Мосияш, 2019).

Основная масса ионов аммония поступает в Ириклинское водохранилище весной с водами половодья. В это время между содержанием ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и объемом притока отмечена сильная достоверная связь. В межгодовой динамике азота аммония за рассматриваемые годы отмечено достоверное снижение не только весенних, но и средневегетационных концентраций, причина которого может заключаться в уменьшении объема весеннего притока, а также более активного вовлечения азота в биогеохимические циклы. Было подсчитано (Veraart et al., 2011), что потепление удваивает скорость денитрификации в мелководных озерах. Температурная зависимость денитрификации объясняется в том числе и уменьшением концентрации кислорода из-за снижения растворимости с повышением температуры. На ускорение темпов денитрификации при потеплении в результате образования аноксичной среды указывают и другие авторы (Chou et al., 2021). Снижение содержания аммонийного азота в начале XXI в. отмечено в воде водохранилищ Верхней и Нижней Волги (Кирпичникова и др., 2020; Shashulovskaya et al., 2021), а также Днепровского каскада (Жежеря и др., 2021).

В отличие от аммония, межгодовая динамика нитратов в воде Ириклинского водохранилища не имеет выраженного тренда и зависит в большей степени от величин годового притока. В волжских водохранилищах, а также Каневском и Кременчугском в начале XXI в. наблюдается снижение содержания нитратов (Жежеря и др., 2021; Структура …, 2018; Shashulovskaya et al., 2021).

С органическим веществом гумусовой природы, поступающим весной в Ириклинское водохранилище, химически связаны фосфор, кремний и железо. Между концентрациями этих соединений и цветностью воды зафиксирована достоверная корреляционная связь.

В отличие от соединений минерального азота гидрологические факторы в меньшей степени влияют на содержание фосфатов, доминирующую роль в их генезисе играют внутриводоемные процессы. Стратификация в летний период на глубоководных участках в условиях пониженного содержания кислорода может свидетельствовать о поступлении фосфора из донных отложений, на что указано во многих исследованиях (Мартынова, 2008; Boström et al., 1988; Doig et al., 2017; Søndergaard et al., 1999). Известно, что основным лимитирующим элементом для первичной продуктивности, а, следовательно, критерием в оценке степени эвтрофирования водных экосистем часто является фосфор (О’Келли, 1977; Carvalho et. al., 2013), а его происхождение связывают с внутренней биогенной нагрузкой – выделением из донных отложений и экскрецией гидробионтами (Alimov and Golubkov, 2014). Зафиксированная нами за исследуемый период слабая тенденция увеличения содержания фосфатов в воде Ириклинского водохранилища может служить показателем ускорения процесса эвтрофирования. Скорость мобилизации этого элемента в условиях потепления климата, очевидно, будет увеличиваться. Для сравнения, за все время существования Волгоградского водохранилища среднее содержание фосфатов было достаточно стабильным в интервале от 0.051 до 0.059 мгР/дм³ (Shashulovskaya et al., 2021).

В воде Ириклинского водохранилища, как и в других природных водоемах (Камбалина и др., 2014), наиболее распространены ассоциаты кремниевой кислоты с гумусовыми веществами, которые могут поступать с водосборной территории, главным образом, в результате химического и биологического выветривания и последующего растворения кремнийсодержащих минералов. В летний период количество SiO₂ в воде водохранилища уменьшается, вероятно, из-за потребления диатомовыми водорослями. В межгодовой динамике количество этого элемента за исследованный период снижается одновременно с уменьшением объема половодий. Отрицательная тенденция кремния в последние годы характерна также для некоторых искусственных водоемов Днепра и Нижней Волги (Жежеря и др., 2021; Shashulovskaya et al., 2021).

Специфика геологического строения территории Южного Урала – широкое распространение рудных месторождений – обусловливает повышенное фоновое содержание металлов, в том числе железа, в подземных и поверхностных водах (Фащевская и др., 2018). Средневегетационная концентрация общего железа в воде Ириклинского водохранилища коррелирует с объемом весеннего притока (r = 0.74 при p = 0.02). Синхронность нарушается в период 2017–2019 гг., когда в период маловодья, очевидно, из-за слабого промерзания почвы и усиления влияния грунтового стока содержание железа в воде водохранилища возрастает (см. рис. 9б). В межгодовой динамике значимых изменений в содержании общего железа не зарегистрировано.

Между тем, в ряде северных пресных водоемов отмечено увеличение содержания этого элемента в последние десятилетия (Björnerås et al., 2017), что связано с повышением уровня грунтовых вод на фоне климатических изменений. Например, в Карелии более мягкие зимы, увеличение количества оттепелей, более слабое промерзание почвы приводят к повышению объемов зимнего водного стока, и, как следствие, к увеличению концентраций железа в реках (Калинкина и др., 2018). Зимнее потепление приводит к увеличению объема вод, богатых ОВ гумусовой природы, поступающих из верхних участков водохранилищ Верхней Волги и р. Камы, что вызывает увеличение цветности воды и содержания железа в нижневолжских водохранилищах (Shashulovskaya et al., 2021).

Сравнивая содержание компонентов органического вещества и биогенных элементов в воде Ириклинского водохранилища в настоящее время с периодом 1970–1980-х годов, следует отметить стабильность концентраций общего и легкоокисляемого ОВ, азота нитратов и общего железа (см. табл. 5). Изменения в большей степени произошли в последнее десятилетие в динамике гидрохимических компонентов, связанных с внутригодовым перераспределением стока. Как результат, отмечены отрицательные тренды аллохтонного ОВ, аммонийного азота и кремния. Стабильность средних концентраций железа в воде Ириклинского водохранилища объясняется отсутствием на водосборе заболоченных территорий, изменения стока с которых при зимнем потеплении приводит к возрастанию количества вымываемых гумусовых веществ с большим содержанием этого элемента.

Особенности морфометрии и гидрологии водоема способствуют неравномерности распределения по продольной оси основных гидрохимических показателей. В верхней зоне (Чапаевский и Софинский плесы), характеризующейся меньшими глубинами и шириной, сильнее сказывается влияние половодья. Здесь отмечены более высокие концентрации ОВ и биогенных элементов, приносимых, очевидно, с загрязненными водами из вышерасположенных водохранилищ. Вследствие низкого водообмена до нижних глубоководных плесов с большой площадью акватории паводковая волна доходит, вероятно, только в многоводные годы. За счет внутриводоемных процессов (смешения, адсорбции, осаждения, окисления и др.) эти участки отличались пониженными концентрациями ОВ и биогенных элементов. Это подтверждает и величина минерализации воды, концентрация которой в нижних плесах в сезонном аспекте остается практически неизменной (Шашуловская, Мосияш, 2020). Следует отметить, что глубоководные нижние плесы, где практически отсутствует течение, являются “идеальными” зонами осадконакопления. Здесь образуются донные отложения, в которых, вероятно, могут накапливаться не только минеральные соли, но и, как было показано проведенными нами ранее исследованиями (Шашуловская и др., 2017), ОВ, биогенные элементы и некоторые тяжелые металлы. Таким образом, водохранилище является своего рода биологическим отстойником, существенно повышая самоочищающую способность р. Урал.

Потепление климата, наблюдающееся по всему земному шару с конца 1980-х годов, приводит к снижению эффекта самоочищения речного стока в малопроточных водохранилищах умеренной зоны (Datsenko and Puklakov, 2020). Например, в Можайском водохранилище прогрессирующая эвтрофикация увеличивает долю автохтонного ОВ в воде в течение вегетационного периода. В результате удержание растворенного ОВ в водохранилище превышает 50% от его общего поступления в водоем (Datsenko and Puklakov, 2020).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Формирование гидрохимического режима Ириклинского водохранилища во второе десятилетие XXI в. происходит в условиях трансформации климата и отражает современную эколого-гидрологическую обстановку на большинстве рек ЕЧР. Несмотря на отсутствие направленных тенденций в межгодовых колебаниях суммарного притока воды к водохранилищу, отмечены заметные изменения в его внутригодовом перераспределении: доля в зимний период достоверно увеличивается в 2 раза, а в половодье наблюдается тенденция к снижению. Такая трансформация происходит на фоне увеличения приземных средних температур воздуха как в летний, так и зимний период. В результате возрастает доля грунтовых вод, питающих водоем в межень и, как следствие, увеличивается величина минерализации за счет повышения содержания сульфатов, гидрокарбонатов и суммы щелочных элементов.

Снижение объема притока к водохранилищу в половодье и уменьшение количества осадков в центральных районах ЕЧР в начале XXI в. явилось, по всей вероятности, причиной отрицательных трендов аллохтонного ОВ, аммонийного азота, кремния. Есть основания полагать, что более активное вовлечение минерального азота в биогеохимические циклы привело к снижению концентраций аммония за исследованный период. Содержание нитратов связано с величиной весеннего половодья в меньшей степени, их динамика определяется, в основном, объемом притока за год. В отличие от соединений минерального азота гидрологические факторы незначительно влияют на содержание фосфатов Ириклинского водохранилища. Накопление за вегетационный сезон и повышение количества в годы пониженной водности свидетельствуют о доминирующей роли внутриводоемных процессов в генезисе фосфора. Отмеченная нами тенденция повышения содержания фосфатов в воде Ириклинского водохранилища в последнее десятилетие, вероятно, будет продолжаться в условиях дальнейшего потепления климата.

По сравнению с периодом 1970–1980-х годов основные компоненты гидрохимического состава Ириклинского водохранилища не претерпели значительных изменений, что свидетельствует об устойчивости экосистемы водоема. Стабильность концентраций общего железа определяется отсутствием на водосборе заболоченных территорий, которые в условиях зимнего потепления наряду с гумусовым веществом являются поставщиками этого элемента в водные объекты.

Особенности морфометрии водоема определяют пространственную динамику компонентов солевого состава, ОВ и биогенных элементов, максимальные концентрации которых поступают с основным притоком р. Урал и отмечены в верховье водоема. В нижних плесах происходит уменьшение их содержания в результате внутриводоемных процессов. Таким образом, водохранилище выполняет роль биологического отстойника, существенно повышая самоочищающую способность р. Урал. Вследствие больших глубин водоема этот процесс может протекать, вероятно, на протяжении сотни лет, не приводя к значительному вторичному загрязнению водной толщи.

Полученные результаты могут иметь важное значение для выявления тенденций изменения гидрохимического режима водохранилищ разных географических зон в условиях глобальной трансформации климата.