Новый подход к оценке репрезентативности данных мониторинга качества воды в водохранилищах-источниках водоснабжения

Как показали комплексные наблюдения за пространственно-временной изменчивостью характеристик качества воды (ХКВ) на Можайском водохранилище, проведенные с целью тестирования гидрологической модели водохранилища (ГМВIМГУ), модельные диагностические расчеты достаточно адекватно воспроизводят трансформацию состава и качества воды в период летней стратификации водоема. При этом впервые были установлены некоторые особенности гидроэкологического режима водохранилища.

Участки водохранилищ, используемые в качестве источника централизованного питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности относятся в СанПиН 2.1.4.1074-01 [4] к первому классу водопользования. При мониторинге качества воды требуется регулярно определять мутность, цветность и перманганатную окисляемость воды, величины рН, и концентрации железа, марганца, сероводорода, фтора, фитопланктона, а также численность некоторых бактерий. В практике мониторинга водохранилищ Москворецкой водной системы в вегетационный период обычны ежемесячные съемки распределения химических показателей и фитопланктона по продольной оси водоема на 3-5 станциях с отбором проб на лабораторный анализ из поверхностного слоя в первой половине дня. При современном мониторинге качества воды на крупных водохранилищах пространственно-временная частота наблюдений намного меньше из-за большой трудоемкости полевых и лабораторных работ, дороговизны эксплуатации экспедиционных судов.

В то же время результаты гидролого-гидрохимических исследований показывают, что значения физических и химических показателей состояния водных масс в водохранилищах существенно различны и весьма изменчивы не только от сезона к сезону лет различной водности, но и от быстро меняющихся в России погодных условий. При этом удается проследить группы показателей, изменяющихся сходно при смене гидрометеорологических условий. Поэтому в лимнологии принято в первую очередь делить характеристики состава и свойств воды на две группы - консервативные и неконсервативные.

Первые служат показателями происхождения водных масс. Это - минерализация и электропроводность воды, ее цветность и перманганатная окисляемость, содержание в воде ионов хлора, магния, натрия, фтора, фенолов, меди и других тяжелых металлов. Они обычно слабо изменяются в водоеме. Существенные их изменения вызваны преимущественно смешением различных водных масс притоков, а также с техногенно загрязненными водами.

Ко второй группе, наоборот, относятся показатели, которые подвержены быстрому и сильному изменению внутриводоемными процессами - температура, концентрация растворенных газов, фосфор-, азот-, железо-, марганецсодержащих минеральных биогенных веществ, мутность и прозрачность воды, ее рН, бихроматная окисляемость, биомасса и видовой состав фитопланктона. Чем биологически более продуктивно водохранилище, тем интенсивнее превращение минеральных веществ неконсервативной группы в органические вещества и водные организмы, которые, развиваясь и отмирая, разлагают органическое вещество на воду и углекислый газ, сероводород и минеральные биогенные вещества.

Распределение этих компонент состава воды в ее поверхностной фотической толще, в которой поглощается энергия солнечного света, неравномерно и изменчиво, подобно кучевой облачности в тропосфере. В воздухе тоже происходит непрерывное изменение влагосодержания вследствие превращения воды из пара в капли и льдинки или снежинки, их таяние и испарение с одновременным перемещением влаги разнонаправленными вертикальными и горизонтальными турбулентными воздушными потоками.

При мониторинге питьевых водохранилищ для воспроизведения пространственно-временной изменчивости показателей качества воды могут использоваться численные модели их гидролого-гидрохимического режима. Расчеты по ним подобны тем, по которым дается прогноз качества воды в проектируемых водохранилищах. Но такие модели должны быть протестированы. Модельные расчеты должны успешно пройти валидацию [2], т.е. статистически обоснованную оценку правильности воспроизведения изменчивости численных значений характеристик качества воды в том участке акватории водохранилища-источника водоснабжения и в примыкающим к нему участках, откуда возможно поступление воды в водозаборные устройства.

Для расчета ежесуточного изменения характеристик качества воды (ХКВ) в таких участках водохранилищ любого размера и различной проточности на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова разработана [3] и ежегодно совершенствуется гидрологическая модель водохранилища (ГМВ-МГУ). С целью ее тестирования летом 2011 году на Можайском водохранилище были организованы и проведены комплексные наблюдения за пространственно-временной изменчивостью ХКВ для того, чтобы оценить степень репрезентативности рассчитываемых по модели среднесуточных значений ХКВ в различных слоях водной толщи отдельного участка стратифицированного водохранилища - головного в Москворецкой системе водоснабжения г. Москвы.

Структура последней версии этой боксовой квазидвумерной балансовой модели изложена в статьях [6, 7].

Полевой эксперимент «Полигон-2011». Его программа включала:
- две комплексные экспресс-съемки экологического состояния Можайского водохранилища;
- еженедельный отбор проб воды в его притоках в период между съемками;
- трехразовую синхронную съемку водной массы в Красновидовском плесе 27 июня с учащенными наблюдениями на рейдовой суточной станции.

На урезе плеса работала автоматическая метеостанция с датчиками на высоте 2 м над водной поверхностью. С буя рейдовой станции автоматически регистрировалась температура воды 6 датчиками термокосы с шагом по глубине 2 м и интервалом 15 мин. и одновременно на водпосту Москва-река-Барсуки (выше водохранилища) с 13 мая по 3 июля работал автоматический регистратор температуры речной воды и воздуха.

В начале эксперимента 13 июня 2011 года выполнена стартовая съемка всего водоема, результаты наблюдений в которой использованы в модельных расчетах как начальное состояние водной массы во всех 19 расчетных отсеках (РО) гидрологической модели Можайского водохранилища ГММВ (рис. 1а). Затем 27 июня в центральном районе водохранилища - в Красновидовском плесе (РО-13), произведены три синхронные съемки полигона с двух моторных катеров по 9 станциям у накануне расставленных буйков (рис. 1 б). При отметке уровня воды 181,00 площадь этого полигона составляет 1,58 км 2 .

Из 10 станций пять назначено в затопленной русловой ложбине Москва-реки, три - на затопленной высокой пойме и две - на склоне речной террасы. В утреннюю съемку полигона с 6:00 до 9:00 наблюдения на станциях №№ 1-9 выполнялись с моторных катеров одновременно двумя бригадами, а третья сменная бригада начала рейдовые суточные наблюдения на станции № 10. Они выполнялись через каждые 3 часа с катамарана, расчаленного у стационарного буя якорями. Повторная съемка полигона была выполнена в 13-15 час. и заключительная - в 21-23 час. Рейдовые наблюдения продолжались до 9-11 час. 28 июня. За эти сутки уровень на водпосту Красновидово снизился с отметки 180,03 до 180,00 м.

В состав наблюдений на станциях полигона входило:
1) зондирование температуры и электропроводности воды через 1 м, в металимнионе - через 0,5 м;
2) отбор проб воды и фиксация в ней кислорода с горизонтов 1, 3, 5, 7, 9 и 12 м (в 0,5 м ото дна);
3) отбор проб в тех же горизонтах для определения содержания ионов НСО3 , СО3 , окисляемости (ПО, БО) и мутности воды, содержания фосфора минерального и общего (ТР);
4) отбор проб для определения состава фитопланктона и хлорофилла с горизонта 0,5 м;
5) отбор интегральных по вертикали проб зоопланктона в 9-10 час 27 июня на каждой станции.

Накануне начала полевых работ на рейдовой станции выполнены тарировка портативного нефелометра HACH 2100Р [5] и сверка термокондуктометров типов МАРК и YSI. Сверка велась при двукратном синхронном зондировании всей 12,5 - метровой водной толщи при погружении до дна и подъеме к поверхности воды связки трех приборов с одновременным отсчетом измеряемых их датчиками значений Т и К.

Одновременно с полевыми работами производились доставка и обработка проб нефильтрованной воды в химической лаборатории Красновидовской учебно-научной базы МГУ. Всего обработано 120 проб по 10 характеристикам ее состава, а также в биологической лаборатории - 30 проб фитопланктона и 10 проб зоопланктона. В работах участвовали 15 специалистов и 10 студентов-практикантов. Подобное сгущение частоты отбора проб в полигоне (1 станция на 0,16 км2 ) на химический и гидробиологический анализ с охватом всего светлого времени суток еще не производилось в лимнологических работах на озерах и водохранилищах ни в России, ни за рубежом.

Повторная съемка водохранилища в этом эксперименте выполнена 2 июля, спустя 5 дней, за которые уровень воды снизился еще на 18 см. В этот день стояла жаркая и почти безветренная погода с температурой воздуха днем 22-26 °С. В период между съемками наблюдалась обычная для Подмосковья летняя неустойчивая погода с переменной облачностью, редкими дождями и чередованием ветреных с почти штилевыми периодами (рис.2).

Величина среднесуточных расходов сбрасываемой из водохранилища воды, по данным Управления Можайским гидроузлом, в 2-4 раза превышала меженный приток воды в водохранилище. Этим и объясняется понижение уровня воды в нем в расчетный трехнедельный период между стартовой и завершающей эксперимент гидролого - гидрохимическими съемками.

Диапазон пространственно-временной вариации ХКВ в полигоне 27/28 июня 2011 г. Назначенная тройная съемка полигона пришлась на момент смены 26 июня циклонической погоды, ветреной, пасмурной, умеренно теплой и дождливой на антициклоническую. К концу наблюдений в полдень 28 июня моросящие осадки прекратились, сплошная облачность сменилась на кучевую (6 баллов), температура воздуха достигла 21,8 °С. По данным автоматической регистрации полевой метеостанции, порывистый ветер 27 июня в 6:30 сменился на восточно-северо-восточный со скоростью 2,7±0,4 м/сек. Днем его порывистость усилилась, но к 18:00 ветер ослаб до 0,4±0,5 м/сек. и с полуночи наступил штиль. Волнение в плесе сменялось от ряби до 1 балла и снова до ряби с ослаблением ветра.

В утреннюю съемку полигона пространственная неоднородность свойств воды проявилась вследствие ветрового сгона воды и апвеллинга в северо-восточной части полигона (рис. 3).

Этот процесс наиболее ярко проявился в пониженных с глубиной значениях температуры (на горизонтах 5 и 7 м), содержания О2 (на 3 и 5 м). При этом в этой части плеса заметно повышенное содержание минерального фосфора на 7 м, сменяющееся на его дефицит в верхних слоях. В сочетании с наивысшими значениями концентрации хлорофилла (см. рис. 3 г) это свидетельствует об утренней вспышке в трофогенном слое продуктивности диатомовых водорослей, доминировавших в альгофлоре по численности и биомассе (таблица 3).

По данным дневной съемки полигона, когда порывистость ветра усилилась, пространственная неоднородность водной массы в полигоне (таблица 1) не уменьшилась, но ее характер существенно изменился. Лучше, чем утром, проявился нагон более теплых, сильнее насыщенных кислородом, органическими веществами и хлорофиллом поверхностных слоев воды на запад и юго-запад полигона - на мелководья затопленной террасы и ее склоны к москворецкой ложбине. В ней возник даунвеллинг, прослеживающийся по прогреву и насыщению кислородом и органическими веществами воды на глубине 5 и 7 м. С вечерним ослаблением ветра произошло уменьшение пространственной неравномерности ХКВ в 5-метровом эпилимнионе и почти двукратное снижение концентрации хлорофилла по сравнению с послеполуденной съемкой.

Наибольшая неравномерность отмечена в самом глубинном слое. Это следствие сработки полезного объема водохранилища и вызванной ею адвекции вод из вышележащего района. Она проявилась сочетанием стокового и придонного плотностного гравитационных течений. Эти воды в русловой ложбине менее прогретые, более минерализованные (их электропроводность на 30 мкСм/см выше, чем в эпилимнионе), обогащенные ортофосфатами, органическими веществами и взвесью (20-30 мг/л, в 10 раз больше, чем в эпилимнионе), т.е. это смесь вод паводка с водной массой верховий водохранилища.
Особенно значительна изменчивость концентрации хлорофилла «а» (рис. 4) - от 83 (утром на ст. № 5 в зоне апвеллинга) до 24 мг/м 3 (вечером на ст. № 6 в центре полигона. Максимальные среднесуточные значения отмечены в юго-западном и южном участке плеса вследствие дрейфа фитопланктона в его поверхностном слое весь день из зоны апвеллинга к зоне даунвеллинга.

Достаточно четко прослеживается на рис. 4 внутрисуточное изменение концентрации хлорофилла: наибольшие значения получены в дневную съемку, когда фотосинтез проходит с максимальной интенсивностью. Но на станциях № 4 и 5 в зоне апвеллинга суточный ход фотосинтеза деформирован из-за подъема к поверхности наиболее обогащенной минеральным фосфором прозрачной глубинной воды, смещавшейся к станции №10. Статистически значимой связи концентрации хлорофилла «а» с суммарной биомассой фитопланктона по 30 альгологическим пробам не получилось (коэффициент корреляции 0,30). Это важно учитывать при мониторинговой съемке водохранилищ, продолжающейся обычно весь рабочий день.

Четко выраженная летняя температурная стратификация полигона сохранялась практически неизменной в течение суток (рис. 5 а). Однако наблюдения на рейдовой станции № 10 в центре полигона показали, что в пределах металимниона на глубине 5-8 м внутрисуточная изменчивость температуры воды (Т) была в 2-3 раза больше, чем в эпи- и гиполимнионе, а на горизонте термоклина с вертикальным градиентом dT/dz = 2,4-3,8 °С/м коэффициент вариации CvT превысил 0,06 (рис. 5 б). Судя по регистрации температуры датчиками термокосы, этот максимум изменчивости - следствие внутренней волны, при которой термоклин перемещался из слоя 7-8 м в начале наблюдений в слой 5,0-5,5 м к 15:00, а затем снова в слой 6-8 м к 2-3 часам ночи. Еще сильнее проявилась изменчивость металимниальной температуры в пределах всего полигона (CvT = 0,08, рис. 5 в) на остальных 7 станциях вне мелководий.

Наименее изменчива в полигоне консервативная электропроводность воды (таблица 2). Вдвое больше изменчивость ее температуры, возрастающая в слое температурного скачка. Важно отметить, что коэффициент вариации (Cv) концентрации гидрокарбонатного иона в 4-5 раз больше в фотическом слое, где интенсивен фотосинтез, велики пересыщение воды кислородом (150% нас.) и величина ее рН>8,5-9.

Изменчивость остальных характеристик на 1-2 порядка больше не только из-за несомненно большей их неконсервативности вследствие участия в биохимическом круговороте веществ, но и меньшей точности определения относительно малых концентраций с применением нескольких аналитических операций.

Коэффициенты Cv содержания хлорофилла «а» и биомассы фитопланктона на горизонте 0,5 м - особенно велики: 0,36 и 1,60 при средних значениях 46 мкг/л и 3 мг/л. Их изменчивость в плесе сопоставима с полями мутности и фосфора соответственно. Пространственная изменчивость неконсервативных характеристик заметно отличается от внутрисуточной - она в 2-5 раз больше их изменения в течение суток. Соотношение значений Cv окисляемости воды (ПО и БО) меньше (1,5-2 раз) и на большинстве горизонтов противоположно (временнaя изменчивость больше пространственной), что может быть связано с неоднородностью вертикального распределения фитопланктона в дневные и ночные часы. О структуре фитопланктона в полигоне дает представление таблица 3.

На большинстве станций утром преобладали диатомовые водоросли, днем их преобладание усилилось, и к вечеру они на всех станциях составили ≥ 60% суммарной биомассы. Среди прочих водорослей доминировали зеленые, многократно превышая по биомассе только начавших свое развитие сине-зеленых. После полудня сокращалась пространственная изменчивость доли диатомей в биомассе фитопланктона, он становился все более однородным в поверхностном слое плеса.

Завершая обзор пространственно-временной изменчивости характеристик состояния летней водной массы в Красновидовском плесе Можайского водохранилища, важно отметить:
1. Для большинства неконсервативных ХКВ даже в однолопастном водохранилище пространственная изменчивость заметно больше, чем внутрисуточная (таблица 2). Этот вывод подтверждает аналогичное заключение эксперимента «Полигон РО-5 (2002)» [1].
2. Минимальная изменчивость электропроводности - СvK = 0,006- 0,013 свидетельствует не только о наибольшей консервативности, но и о наименьших погрешностях ее измерения in situ. Лишь в слое скачка плотности ее пространственная изменчивость оказалась меньше внутрисуточной, что видно на рис. 5 б и в.
3. Умеренной является изменчивость температуры, гидрокарбонатов и кислорода в эпилимнионе - Сv = 0,01-0,05. В слое температурного скачка наибольшие значений СvТ вызваны внутренней волной. Ее влияние проявляется и в росте с глубиной изменчивости растворенного О 2 и мутности, что усиливалось еще и даунвеллингом в дневную и вечернюю съемки на станциях №№ 7, 8 и 9 в южной части полигона.
4. Пятнистость распределения фитопланктона и хлорофилла в верхнем слое воды, обусловливающая наивысшие значения коэффициента вариации этих ХКВ, служит причиной уменьшения Сv НСО3 от верхних горизонтов к придонным (таблица 2), так как при дефиците СО2 в трофогенном слое гидрокарбонаты становятся источником углерода в процессе фотосинтеза.
5. Наиболее велики и беспорядочно изменчивы с глубиной и по акватории значения Сv минерального и общего фосфора, ПО и БО. Это связано с тем, что определение их значений выполнялось в нефильтрованных пробах воды. При сравнительно малых концентрациях неравномерно взвешенные в воде органические частицы и организмы при окислении их в пробах вызывают пестроту результатов химического анализа фосфорсодержащих органических веществ. Поэтому оценки этих ХКВ при мониторинге экологического состояния водоисточника наименее репрезентативны.

Предлагаемая методика оценки адекватности результата модельных расчетов

Благодаря трем одинаковым в методическом отношении съемкам полигона в разное время суток с наличием зон ап- и даунвеллингов установленная в полевом эксперименте «Полигон-2011» пространственно-временная неравномерность распределения неконсервативных ХКВ оказалась достаточно большой для того, чтобы судить с приемлемой в водохозяйственной или экологической практике достоверностью о существенности изменения свойств водных масс, заполняющих водохранилище в период между такими съемками.

Ведь по данным контрольной мониторинговой съемки получаем представление о состоянии водоема по единственному зондированию водной толщи в том или ином участке акватории в произвольный момент рабочего светлого времени, обычно ±3-4 часа пополудни, тогда как модельный расчет выдает существенно более репрезентативные среднесуточные величины ХКВ, требующиеся в водопроводной практике.

Поэтому несомненно, что оценивать адекватность рассчитанных по гидрологической модели среднесуточных значений любой характеристики Х необходимо с учетом вероятности среднесуточного значения Х ср., оцениваемой по полученному разбросу наблюденных n значений Х на том или ином горизонте вертикали.

Разброс этих значений обычно вызван и внутрисуточными изменениями тепло- и водообмена водной массы в отсеке с атмосферой и соседними отсеками, и внутримассовыми динамическими, и химико-биологическими процессами и, наконец, небольшими случайными методическими ошибками в полевых наблюдениях и отборе проб, в их аналитической обработке, особенно при анализе веществ и организмов в пробах с небольшими их концентрациями.

При столь значительной изменчивости неконсервативных характеристик состава воды статистически значимая средняя величина генеральной совокупности точек полигона находится в пределах доверительного интервала ДИ = Х ср. ±3 σ Х/n 0,5 с обеспеченностью р = 99,7%, где σ Х - среднеквадратическое (стандартное) отклонение наблюденных n значений Т, K, М, НСО3 , РО 4 , ТР, ПО, БО и О2 на каждом горизонте. Будем считать, если полученные по модельному расчету среднесуточные значения Х сут. на том или ином горизонте полигона оказываются внутри такого доверительного интервала, - расчет верен. Если же какое-либо значение Х сут. лежит за пределами ДИ, то при его отклонении δ Х от границы этого интервала на величину δ Х ≤ ДИ будем считать результат валидации [2] (т.е. статистической оценки качества модельного расчета) хорошим, при ДИ< δ Х <2ДИ - удовлетворительным и при δ Х >2ДИ - ошибочным. Для примера покажем такую оценку величин ДИ для биомассы фитопланктона на горизонте 0,5 (таблица 4).

В результате можно утверждать, что модельный расчет верно воспроизвел (с вероятностью >99,7%) среднесуточные величины биомассы диатомовых, синезеленых и прочих водорослей в полигоне, который в модели ГММВ представлен расчетным отсеком РО-13 (см. рис. 1).

Доверительный интервал для большинства ХКВ на горизонтах, отличающихся наибольшей изменчивостью их значений, в 3-4 раза больше, чем в наиболее однородных по составу воды боксах (таблица 5).

Наименее изменчив по вертикали доверительный интервал для перманганатной окисляемости, свидетельствуя о ее повышенной консервативности. Наиболее изменчив он для мутности воды и РО-4 , ДИ которых возрастает от поверхностных слоев к придонным примерно в 10 раз, подобно абсолютным величинам содержания в них взвеси.

За время, прошедшее с момента стартовой съемки, на порядок увеличилось содержание в плесе диатомовых водорослей (преимущественно fragelaria), среди прочих доминировали зеленые. Суммарная биомасса свидетельствует о начале умеренного летнего цветения Можайского водохранилища, сопровождающегося пересыщением воды кислородом в трофогенном слое.

Валидация модельного расчета распределения ХКВ, наблюдавшегося в заключительной съемке водохранилища

До сих пор для валидации модельных расчетов нами использовался применяемый в гидрометеорологическом прогнозировании критерий S/ σ , т.е. сопоставление среднеквадратического расхождения рассчитанных и изменяющихся в том или ином процессе наблюденных значений какой-либо характеристики со стандартным ее отклонением в ряду наблюденных значений. Для автоматизации этого расчета в алгоритм ГМВ-МГУ встроена подпрограмма STATIS [3]. По этой подпрограмме выполнена статистическая оценка модельных погрешностей расчета всех 8 характеристик свойств воды во всем водохранилище, используя данные заключительной съемки 2 июля. Она показала, что выбранный полигон достаточно репрезентативен, так как воспроизведение во всех 18 отсеках водохранилища величин ХКВ не хуже, чем в полигоне (таблица 6).

Однако такой способ валидации скрывает осреднением качество воспроизведения в модельном расчете стратифицированности водной толщи большинства отсеков в центральном и приплотинном районах водохранилища. Поэтому представляется более обоснованной оценка качества модельных расчетов с использованием доверительного интервала среднесуточного значения неконсервативных характеристик свойств воды, которым учитывается пространственная их изменчивость, вызванная стратификацией, сгоннонагонными перемещениями вод в зонах ап- и даунвеллинга, а в слое сезонного скачка плотности - в виде внутренних волн, а также вероятными случайными погрешностями анализа состава воды в многочисленных пробах, выполнявшегося не одним, а несколькими аналитиками. Учитывая, что статистическая оценка по критерию S/ σ в большинстве расчетных отсеков явно не хуже, чем в РО-13, допустимо использовать доверительные интервалы среднесуточных величин, наблюденных в полигоне, для оценки качества модельного расчета и в остальных отсеках Можайского водохранилища.

В качестве примера на рис. 6 приведен результат оценки качества модельного расчета температуры воды в 166 боксах 18 отсеков для 2 июля, когда была выполнена завершающая эксперимент съемка водохранилища. С учетом доверительных интервалов для каждого горизонта (таблица 5) оценена приведенная на этом рисунке величина расхождения рассчитанного по модели значения температуры в боксе и измеренного в том же слое расчетного отсека. Подсчет числа боксов, в которых расхождение не выходит за пределы ДИ, показал, что их 30, т.е. расчет верен в 18% боксов от их общего числа. В более 40% боксов результат расчета считаем хорошим, еще в 16% -удовлетворительным и только в четверти боксов вычисление температуры следует признать ошибочным.

Наибольшее число таких боксов - из-за завышения рассчитанной температуры преимущественно на 2 °С и более в приплотинном районе и занижения ее значений в центральном районе. Как видно на рис. 6, различие среднесуточных рассчитанных температур Тр и наблюдавшихся ее значений Тн в подавляющем числе боксов, где расчет признан верным или хорошим (59%), не превышало 1,5 °С, а наибольшие - в 3,1-4,8°С вполне объяснимы внутриплесовой сгонно-нагонной динамикой вод в сторону гидроузла, вызванной ЗСЗ ветром 0,5-1,3 м/сек. во время завершающей съемки водохранилища.
Число ошибочных значений Тр составило всего 25%, что следует считать вполне успешной валидацией модельного расчета трехнедельного изменения термического состояния Можайского водохранилища с 13 июня ко 2 июля 2011 года.

Неожиданно менее успешен модельный расчет HCO3 – наибольшего по величине компонента солевого состава воды (таблица 7) .

Причина этого, наиболее вероятно, вызвана использованием содержащегося в HCO3 углерода в процессе фотосинтеза при дефиците в трофогенном слое СО2 и сдвиге карбонатного равновесия в щелочной среде. Действительно, наибольшие ошибки воспроизведения концентрации HCO3 - в верхних боксах шести отсеков РО-3-РО-8, расположенных в верховом районе водохранилища (см. рис. 1 а) - очаге начинающегося здесь обычно формирования летнего пика «цветения» сине-зелеными водорослями.

Хорошие оценки валидации получены и для расчета кислорода, и для мутности воды в съемке 2 июня (таблица 7).

Из-за большой изменчивости значений М в полигоне доверительный интервал в придонных слоях достаточно широк (±4 мг/л, таблица 5), чтобы считать точность расчета в них мутности воды в большинстве отсеков вполне удовлетворительной.

Еще лучше выглядит оценка с учетом вертикальной изменчивости ширины доверительного интервала валидации расчета наиболее неконсервативных показателей – РО4 и БО, и тем более, относительно консервативного показателя содержания в воде трудно биохимически окисляемых органических веществ - величин ПО (таблица 7). Из-за их большей пространственной и внутрисуточной изменчивости (таблица 2) использование для верификации боксовой модели соотношения S/ σ представляется случайным результатом: ее измеренное значение на единственной вертикали в том или ином участке акватории, чаще всего в часы наибольшей трансформации неконсервативных веществ жизнедеятельностью биоты, не может характеризовать среднесуточное значение таких ХКВ в участке.

Основные выводы:
1. Осредненная оценка воспроизведения расчетом по модели ГМВ-МГУ среднесуточных величин температуры, электропроводности, мутности, окисляемости (по ПО и БО) воды и содержания в ней гидрокарбонатов, кислорода и фосфатов является вполне удовлетворительной в большинстве расчетных боксах 18 отсеков Можайского водохранилища. Поэтому можно считать, что модельные диагностические расчеты достаточно адекватно воспроизводят трансформацию состава и качества воды в период летней стратификации водоема. В 20% боксов вероятны ошибочные расчетные значения одной или нескольких из перечисленных характеристик, выходящие за пределы их внутрисуточной и пространственной изменчивости в конкретных плесах водохранилища.
2. Оценка по критерию S/ σ воспроизведения стратификации оказалась излишне жесткой. При использовании этого критерия не учитываются большие различия среднесуточных и наблюдаемых в съемках значений, вызванные внутрисуточной изменчивостью. Поэтому рассчитанные по модели значения необходимо сравнивать со статистически обоснованным доверительным интервалом вероятной среднесуточной величины той или иной характеристик состава и свойств воды в водохранилище.
3. Установлены впервые следующие особенности гидроэкологического режима водохранилища:
а) существенная неконсервативность концентрации гидрокарбонатных ионов и электропроводности воды в трофогенном слое водоема, усиливающаяся при переходе экосистемы от состояния умеренного продуцирования органического вещества в начале лета к интенсивному цветению к середине летнего сезона;
б) для большинства исследованных неконсервативных летом характеристик в морфологически простом (однолопастном) водохранилище пространственная изменчивость заметно больше, чем внутрисуточная(таблица 2). Таким образом, этот вывод подтверждает аналогичное заключение по результатам эксперимента «Полигон РО-5 (2002)» [1];
в) существенное внутрисуточное изменение соотношения концентрации хлорофилла – «а» и суммарной биомассы фитопланктона с максимумом в послеполуденные часы. Однако этот вывод следует проверить, поскольку при этом наблюдалось изменение состава фитопланктона. Проверка важна для оценки репрезентативности обеих характеристик, получаемых в съемках водохранилищ, продолжающихся с утра до вечера.
4. Структура трехсрочных съемок полигона позволила лучше оценить изменчивость характеристик в водохранилище, чем в эксперименте 2002 года.
5. К выявленным недостаткам модели ГМВ-МГУ следует отнести:
а) наибольшее число ошибочных значений характеристик в боксах эпилимниона связано с занижением интенсивности продукционного процесса, его влияния на пересыщение воды кислородом, на снижение содержания гидрокарбонатов и электропроводности из-за использования НСО3 как источника углерода при полном потреблении СО2 водорослями. С этим же связано и занижение мутности и бихроматной окисляемости воды в трофогенном слое;
б) в подпрограмме «Фосфор» важно учесть вероятность обогащения придонного плотностного течения минеральным фосфором, образующимся при деструкции детрита в илу и придонной воде в период активного «цветения»;
в) учитывая возникающую даже при слабых ветрах сгонно-нагонную циркуляции вод и, как ее следствие, большую пространственную изменчивость неконсервативных характеристик, чем внутрисуточную, представляется желательным обдумать возможность деления отсеков на подотсеки - мелководный и глубоководный в варианте модели с учащенным по времени шагом счета.

Автор благодарен коллегам, сотрудникам кафедры и Красновидовской учебно-научной базы МГУ им. М.В. Ломоносова А.Д. Аракельянцу, С.Л. Беловой, А.В. Гончарову, М.Г. Гречушниковой, Ю.С. Даценко, О.Н. Ериной, М.Г. Ершовой, Л.Е. Ефимовой, М.Б. Заславской, В.В. Кочневой, Е.Р. Кременецкой, С.П. Лахмыткину, Д.В. Ломовой, В.В. Пуклакову и Д.И. Соколову, активно участвовавшим в подготовке и проведении полевых и лабораторных работ по программе «Полигон-2011».

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 09-05-00029.

Литература:
1. Даценко Ю.С., Эдельштейн К.К., Гончаров А.В., Пуклаков В.В., Чернега С.С. Изменчивость гидроэкологических характеристик водных масс в центральном плесе Можайского водохранилища // Водные ресурсы. 2005, том 32. № 3. С. 352-360.
2. Йоргенсен С.Э. Управление озерными экосистемами. М.: Агропромиздат, 1985. 160 с.
3. Пуклаков В.В. Гидрологическая модель водохранилища: руководство для пользователей. М.: ГЕОС, 1999. 96 с.
4. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
5. Соколов Д.И., Кременецкая Е.Р., Ломова Д.В., Аракельянц А.Д., Филиппова П.С. Особенности режима мутности в долинном водохранилище при низком уровне // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география, 2011, №3. С. 27- 32.
6. Эдельштейн К.К., Гречушникова М.Г., Даценко Ю.С., Пуклаков В.В. Диагностическое моделирование внутриводоемных процессов в водохранилищах // Водные ресурсы, 2012, т. 39, № 4. С. 437-451.
7. Эдельштейн К., Даценко Ю., Пуклаков В., Гречушникова М., Ерина О., Соколов Д. Современная методика расчета формирования качества воды в водохранилищах-источниках централизованного водоснабжения. Вода Magazinе, 2013, № 6 (70). С. 48-54.

Журнал «Вода Magazine», №7 (83), 2014 г.