Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
ГЛАВА 2. Казани материалы и методы изучения озер города ГЛАВА 3. Формирование озер на территории города Казани 28
3.1. Влияние урбанизации на озера города Казани 28
3.2. Факторы формирования озер на территории города Казани 40
3.3. Процесс развития озер на территории города Казани 45
Выводы по главе 3: 52
ГЛАВА 4. Характеристика озер города Казани 53
4.1. Количество озер и их морфометрические параметры 53
4.2. Генетические типы котловин озер города Казани 72
4.3. Гидрохимическая и гидрофизическая характеристика озер 81
4.4. Взаимосвязь физико-химических показателей воды и морфометрических параметров озер 89
Выводы по главе 4: 94
ГЛАВА 5. Изменение озер города казани в условиях урбанизации 96
5.1. Изменения морфометрических параметров озер города Казани в условиях урбанизации 96
5.2. Изменения уровенного режима и водного баланса малых озер города Казани 102
5.3. Трофический статус озер как индикатор изменения гидробиологических показателей озер города Казани в условиях урбанизации 117
5.4. Рекомендации по улучшению экологического состояния озер города Казани 121
Выводы по главе 5: 136
Выводы 138
Список литературы 141
- Факторы формирования озер на территории города Казани
- Процесс развития озер на территории города Казани
- Гидрохимическая и гидрофизическая характеристика озер
- Изменения уровенного режима и водного баланса малых озер города Казани
Факторы формирования озер на территории города Казани
На данный момент сложилось два основных подхода к изучению малых озер. Кадастровые исследования направлены на инвентаризацию малых озер, что вносит большой вклад в оценку их разнообразия. Изучение особенностей функционирования озерных экосистем охватывает меньшее число объектов, но позволяет выявить условия формирования и закономерности их развития [97].
Озеро, как геосистема, является составной частью ландшафта, вместе со своим водосбором представляет собой сложную единую природную систему, в которой взаимодействуют гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические и другие процессы [15]. Являясь водоемом с замедленным водообменом, со специфическими физико-химическими и гидрологическими процессами, озеро взаимодействует с окружающей средой [34]. В современной лимнологии приняты положения, что озеро - это система, а его связь с ландшафтом свидетельствует о том, что оно может являться элементом другой системы более высокого порядка - ландшафта; озеро с его водосбором является единой природной системой [72, 79, 168].
Характер взаимосвязи между компонентами экосистемы озер определяет гидрологические и экологические особенности каждого из озер и направленность их развития. Озера различаются по происхождению своих котловин, по объему водной массы, по химическому составу вод, по условиям накопления донных отложений и другим параметрам.
Еще в 1930-х гг. Г.Ю. Верещагин [28] отмечал определяющую роль морфометрии и морфологии котловины озера в лимнических процессах. В дальнейшем этот подход к изучению процессов, происходящих в водной массе озер, развили, ставшие классическими, работы Д. Хатчинсона [182], Б.Б. Богословского [19], Л.Л Россолимо [150, 151], Л.Ф. Форш [181], В.Г. Драбковой, И.Н. Сорокина [50], Д.В. Севастьянова [157, 158] и др.
Изучение озер с точки зрения влияния морфологии котловины на физико-химические процессы, происходящие в водной массе,приобретает особую актуальность в настоящее время, т.к. накоплена значительная информация об озерных котловинах и их генезисе. В связи с этим представляется важным развитие оценок взаимосвязи лимнологических характеристик озер, прежде всегоморфометрических параметров и физико-химических показателей воды.
Форма озерной котловины может оказывать значительное влияниена динамику водной массы озера, вертикальное распределение температуры и др. В.Р. Хомскис на основании анализа материалов по морфометрии озер Литвы и Эстонии пришел к выводу, что вид батиграфической кривой (графика отражающего соотношение площадей занимаемых разными глубинами) позволяет до некоторой степени судить о стадиях развития озера. В начальные этапы развития форма котловины озера ближе к конической, затем становится сложной: верхняя часть параболоид, нижняя - конус, на поздних стадиях приближается к эллипсоидной [183].
Для характеристики конфигурации водоемов используются показатели, широко применяемые в лимнологии: показатель удлиненности; показатель развития береговой линии, который дает возможность понять в общих чертах о характере и направленности современных геоморфологических процессов в акватории озер; показатель удельного водосбора, показывающий отношение площади водосбора озера к площади водного зеркала; наибольшая и средняя глубина, показатель открытости и показатель емкости [41]. Показатель открытости, определяемый как отношение площади озера к средней глубине, позволяет судить о степени воздействия климатических факторов [167]. Чем выше показатель открытости, тем выше вероятность перемешивания вод озера ветровым волнением и меньше вероятность возникновения стратиграфии. Показатель емкости позволяет оценить степень полноты объема, а также сопоставить озерную котловину с телами вращения (цилиндром, полушарием, параболоидом, конусом). Показатель емкости оказывает влияние на динамические процессы в озере, перемешивание и нагревание. Два озера, находящиеся в одинаковых физико-географических условиях и имеющие одинаковую максимальную глубину, но разную форму котловины, независимо от объема и площади, будут иметь различные температуры у дна, средние температуры и различное вертикальное распределение температуры воды. Более теплым будет то озеро, которое имеет меньшее значение показателя емкости [123].
Внимание исследователей также привлекает зависимость процесса развития водных объектов от влияния почвенно-растительного покрова окружающей территории [184]. Наиболее изучено влияние растительности на русловые процессы [98, 99] и обратная связь последних с динамикой растительности, особенно пойменной [172]. Значительно реже встречаются оценки влияния других биогенных факторов. В частности, рассматривалось биогенное рельефообразование, где учитывалось в некоторой мере воздействие живых организмов на русла рек как формы рельефа суши [21]. Тем не менее, роль биогенных факторов в развитии озерных котловин еще недостаточно изучен.
Для выявления механизмов и факторов формирования озерных котловинв 1996-2003 гг. сотрудниками Кубанского государственного университета были сформулированы основные положения теории озерного морфолитогенеза. Под ним понимается совокупность процессов, приводящих к формированию озерных котловин, дальнейшему их преобразованию при участии рыхлых отложений в условиях динамической среды и высокой энергии эндогенных и экзогенных процессов. Теория озерного морфолитогенеза дает возможность понять не только закономерности и особенности формирования озер, но и раскрыть динамику различных процессов, взаимосвязи и взаимодействие между ними [56, 57, 58].
Процесс развития озер на территории города Казани
Развитие и является историческим процессом, выражающимся в виде изменения природных условий территории, неизбежно отражающихся на состоянии озер. Расширение площади города приводит к росту числа малых озер, находящихся под его влиянием. А повышение концентрации объектов производства, увеличение численности населения вызывает возрастание степени влияния города на озера. Кроме того, в разные исторические этапы развития города преобладали разные виды его воздействия на водоемы.
Казань, расположенная на Кремлевском холме, была со всех сторон окружена водой. До середины ХVI в. территория города изобиловала мелкими озерами, как в центральной части, так и на окраинах. Данные озера служили источниками водоснабжения и элементами защиты города. Большинство из них не сохранилось до настоящего времени: были засыпаны или затоплены водами Куйбышевского водохранилища [107].
Период с момента взятия Казани в октябре 1552 г. Иваном IV Грозным до второй половины XVIII в. характеризуется расширением территории города. Процесс крещения татар, и последовавшая за этим массовая депортация привело к освоению территорий в районе озер Кабан и в Заречье [33]. При этом древний город освоили переселенцы, не имевшие культуры использования местных озер, что привело к их заилению, загрязнению и дальнейшему засыпанию.
Изменилось функциональное использование озер Кабан. После XVI в. они, кроме питьевого водопользования, стали использоваться в транспортных целях. Это привело к началу загрязнения оз. Нижний Кабан и протока Булак, ставшее особенно ощутимым к концуXVIII в. В XIX в. озеро в основном использовалось для хозяйственных, промышленных и рекреационных целей [113]. Также за этот период значительные изменения претерпела территория вокруг озер Кабан. Были сведены леса, засыпаны заболоченные угодья, застроено побережье. Берега озер Кабан были спланированы, площадь озера сократилась, перестали действовать поступавшие ранее притоки и ключи.
Период с начала XX в. до настоящего времени характеризуется чрезвычайно интенсивным развитием процесса урбанизации, приведшего к сильному изменению природных условий. Строительство асфальтированных дорог к 1928 г. привело к изменению подстилающей поверхности водосборных бассейнов. Изменялся климатический режим города, происходило загрязнение водоемов техногенными отходами и аварийными сбросами. Коренная реконструкция промышленности в начале 1930-х гг. привела к росту поступления в окружающую среду выбросов и сбросов промышленных предприятий. Размещение эвакуированных предприятий во время Великой Отечественной Войны в 1941-1945 гг. привело к расширению территории старых (современные Московский, Приволжский) и образованию новых (Авиастроительный, Советский) районов [68]. Строительство в 1957-1965 гг. жилых микрорайонов в Московском, Приволжском, а с 1970 г. – в Советском и Ново-Савиновском районах привело к быстрому расширению территории города.
Современная тенденция увеличения площади жилых застроек, промышленных зон, автодорог приводит к засыпанию озер [192]. Кроме того, длительное существование в условиях города приводит к пространственной неоднородности почвенного покрова [16], следовательно, к изменению показателей поверхностного стока. Это приводит к резкому изменению гидрологических и экологических характеристик озер.
С момента основания (XII в.) город располагался на вершине удлиненного холма. Он представлял собой окруженную лесами крепость на берегу р. Казанки. Границы практически совпадали с границами современного Казанского Кремля.
С серединыXVI в. до второй половиныXVIII в. развитие города шло в восточном, южном и юго-западном направлениях. В нач. XVIII в. в городскую черту были включены образовавшиеся слободы (Подлужная, Федоровская, Мокрая, Ямская и др.). Со второй половины XVIII в. началось освоение территории в юго-восточном направлении (современные ул. Горького, Толстого, Муштари). К нач. XX в. границы города Казань практически совпадали с очертаниями современного Вахитовского муниципального района. Быстрый рост города произошел в послевоенный период. С начала 1950-х гг. Казань расширила территорию примерно в 10 раз по сравнению с началом XX в. Одновременно с происходила смена естественных ландшафтов ландшафтами урботерриторий, что привело к изменению условий существования водных объектов.
Заметное изменение природных условий города Казани в результате строительства промышленных объектов началось в XVIII в. За Старо-Татарской слободой разместились: свечной завод братьев Крестовниковых, два пивомедоваренных имыловаренный завод, текстильная фабрика. В 1718 г. создается Адмиралтейство, в 1786 г. строится пороховой завод. В XIX в. за озерами Кабан разместились множество различных мыловаренных, свечных, кожевенных, обувных предприятий. В 1820 г. появляются три крупных кожевенных предприятия братьев Котеловых в Ягодной слободе, в 1860 г. – кожевенный завод, ткацкая фабрика, бумагопрядильный завод братьев Алафузовых (современный «Льнокомбинат»). В XIX в. население города пополняется выходцами из сел и деревень, что ведет к образованию рабочих поселков барачного типа [67].
В результате развития промышленности усилилось загрязнение территории города. Предприятия имели низкие трубы, и рассеивание происходило на небольшие расстояния. В результате на территории исторических промышленных зон отмечаются высокое содержание соединений азота и фосфора [5], влияющих на трофический статус озер.
Резкий рост промышленности привел к техногенной миграции химических элементов и их соединений, привело к загрязнению ландшафтов. Увеличение количества автотранспорта обусловило загрязнение территории свинцом и поверхностно-активными веществами [38].
Образование Куйбышевского водохранилища в 1956 г. обусловило повышение уровня вод р. Казанки в её приустьевой части на 11 м, что привело к повышению уровня грунтовых вод и, как следствие, увеличению площади заболоченных территорий. Образовались новые озера, вследствие зарегулированности стока изменился гидрологический режим существующих озер. Повышение уровня грунтовых вод привело к подтоплению территорий Вахитовского, Приволжского, Ново-Савиновского и Кировского районов. Также были затоплены озера береговой зоны, а строительство дамб инженерной защиты повлекло засыпку некоторых озер (оз. Поганое). Произошло спрямление русла р. Казанки в приустьевой части, в результате чего образовались озера-старицы. Затопление пойменной части обусловило уничтожение островных мелководий, являвшихся местообитанием редких видов флоры и фауны. Остатки поймы сохранились лишь в районе Советского моста.
Гидрохимическая и гидрофизическая характеристика озер
Типичным примером озера, данной подгруппы, является оз. Придорожное площадью 5,5 га. Это озеро имеет поверхностный приток около 40 л/сек и не имеет поверхностного стока.
Вторую подгруппу составляют з а п р у д ы д р е н а ж н ы х к а н а л о в . Формируются при засыпке отдельных частей небольших каналов при застройке. Озеро подобного происхождения с площадью водного зеркала 1,3 га образовался в Ново-Савиновском районе города Казани за теплотрассой напротив дома №105 по пр. Амирхана (оз. Большое). В силу своего местоположения и расположения окружающих сооружений, оно обладает постоянным ветровым течением в северном направлении.
Следующую, третью подгруппу образуют р а с ш и р е н и я д р е н а ж н ы х к а н а л о в . Образуются они при прохождении дренажной канавы с большим расходом воды через обширный участок понижения рельефа. Водная масса разливается на данной территории, образуя новое озеро, имеющее как поверхностный приток, так и поверхностный сток. При этом поверхностный сток может, как превышать поверхностный приток (140 л/сек и 120 л/сек в случае с озерно-болотным комплексом Соловьиный), так и иметь более низкие характеристики (35 л/сек и 30 л/сек, соответственно) - оз. Лягушачье. Что зависит от площади водосбора и наличия устойчивого грунтового питания.
Общее количество озер города Казани различного происхождения представлено в таблице 20. Предложенная классификация и типизация озер города Казани по ней позволяет иллюстрировать соотношение типов процессов образования и развития озер на ее территории. Можно отметить преобладание среди малых озер города Казани озер природного происхождения (136 озер из 190), среди которых преобладают суффозионные (36 озер), пойменные (31 озеро) и старичные (24 озера) озера. Среди озер искусственного происхождения преобладают карьерные озера (21 озеро) и копани (16 озер). Таблица 20 - происхождение озер города Казани
Таким образом, расположение урботерритории в пойме и устьевых участках рек определяет преобладание среди озер города озер природного (до 72 %), в основном долинных происхождения – 60 озер (31,7%), формирование которых определяется флювиальными процессами. Это позволяет утверждать, что в условиях приустьевого расположения урботерриторий, формирование озерных котловин в значительной степени определяются флювиальными процессами.
При распределении озер различного происхождения по геоморфологическим элементам территории города Казани, необходимо отметить, что левобережных террас в районе города Казани в настоящее время насчитывают до пяти [169]. Однако, первая надпойменная терраса была затоплена при заполнении Куйбышевского водохранилища
На вторую (микулинско-калининскую) надпойменную террасу р. Волги приходится 25 озер пойменного происхождения [193], 8 старичных озер, среди которых имеется 4 озера-старицы, осложненные карстовыми процессами, 5 озер суффозионного, и 9 - суффозионно-карстового происхождения (табл. 21).
На третьей (одинцовско-московской) надпойменной террасе отмечается примерно равное соотношение озер суффозионного (10) и суффозионно-карстового происхождения (11), также 15 озер-стариц. Таблица 21 - распределение озер города Казани различного генезиса по надпойменным террасам р. Волги
На четвертой (лихвинско-днепровской) надпойменной террасе общее количество озер суффозионного (8) и суффозионно-карстового происхождения (3) преобладает над количеством пойменных озер (5). На самой высокой пятой (окской) надпойменной террасе, где расположено 20 озер, имеется всего одно озеро-старица р. Нокса (оз. Длинное), тогда как озер суффозионного происхождения - 13. Из данных таблицы 21 следует, что количество пойменных озер уменьшается, с увеличением возраста надпойменной террасы, а максимальное количество озер суффозионного и суффозионно-карстового происхождения находится на средней третьей террасе.
Все озера города Казани относятся к бассейну р. Волга, но территория города в рамках данной работы была условно разделена на бассейны р. Волга и притоков первого (р. Казанка) и второго (рр. Нокса, Сухая, Киндерка) порядка. При этом определено, что происхождение большинства озер бассейна р. Волги пойменное и суффозионное (табл. 22). Таблица 22 - распределение малых озер города Казани различного происхождения В бассейне р. Казанка находится большое количество озер (14) карьерного происхождения, что связано с расположением в припойменной части р. Казанка бывших торфоразработок Кизического болота. По 8 озер имеет органогенное (Кизическое болото), старичное и суффозионно-карстовое происхождение. В пойме р. Казанка расположены дельтовые озера.
В бассейне р. Нокса озера в основном суффозионного и старичного происхождения (11 и 10 озер соответственно). Формирование суффозионных озер, скорее всего, связано с выходом на поверхность отложений казанского яруса. 5 озер данной группы имеют искусственное происхождение:3 запруды, 1 копань и 1 карьерное озеро - оз. Карасиное (бывший песчаный карьер).
В бассейне р. Сухая преобладают озера суффозионно-карстового происхождения (6 озер) и искусственные копани (6 озер). Также имеются озера суффозионного (4 озера) и пойменного происхождения (4 озера). В бассейне р. Киндерка расположено 5 озер, из которых 3 озера имеют искусственное происхождение (запруды)
Изменения уровенного режима и водного баланса малых озер города Казани
В основе трофической типизации озерных экосистем лежит оценка уровня биологической продуктивности как главной функциональной характеристики водоема. Трофический тип водоема – это интегральная и многомерная характеристика, определяемая множеством взаимосвязанных процессов физической, химической и биологической природы. Определение трофического статуса включает, как правило, использование комплекса признаков, дополняющих друг друга. Трофический статус озер классически определяется по гидробиологическим показателям, в первую очередь по биомассе фитопланктона, поэтому являтся индикатором изменения гидробиологических характеристик озер; существуют также способы определения трофического статуса по физико-химическим показателям [175].
Для озер территории города Казани в ходе инвентаризации водных объектов лабораторией оптимизации водных экосистем КФУ в 2007-2008 гг. была выполнена типизация озер по их трофическому состоянию. Для оценки трофического состояния использовался трофический индекс Миллиус [105] рассчитанный по биомассе фитопланктона.
Значение трофического индекса Миллиус озер города Казани варьирует в широких пределах трофической 100-бальной шкалы: от 27,7 (протока р. Казанки) до 97,35 (оз. Песчаное). По результатам исследования можно сделать вывод, что на территории города Казани в настоящее время отмечаются все типы озер по трофическому статусу. Из исследованной группы (190 озер) всего 11 озер (5,8%) были отнесены к категории олиготрофных водоемов (рис. 60). В основном это искуственные и косвенно искуственные водоемы, находящиеся вдали от селитебных зон города.
Наибольшее количество озер города Казани – 96 (50,5%) отнесены к категории эвтрофных водоемов. К категории мезотрофных было отнесено 51 озеро (26,8%), гипертрофных – 32 озера (16,8%). В целом для территории города Казани отмечается преобладание эвтрофных и мезотрофных типов озер, что связано с процессом антропогенного эвтрофирования.
Таким образом, при всех видах антропогенного воздействия для большинства исследуемых озер отмечается процесс антропогенного эвтрофирования, наиболее заметными признаками которого является визуально «цветение воды» и аналитически ухудшение газового режима: перенасыщение кислорода в поверхностном слое и дефицит кислорода в придонном.
При определении трофического статуса озер, находящихся на территориях разной продолжительности застройки, можно отметить, что все озера, расположенные на территории города Казани, застраиваемой с середины XVI в. и вт.пол.XVII в., относятся к категории эвтрофных водоемов (табл. 34).
Вероятнее всего это связано с тем, что они несут большую антропогенную нагрузку, но обладают относительно большой растворяющей способностью, кроме того, данные озера находятся в центральной части города и на них периодически проводятся мероприятия по очистке озер. Озера Кабан к 1970-1980 гг. были гипертрофированы и токсикофицированы. В ходе специальных восстановительных мероприятий состояние этих озер оптимизировали до категории эвтрофных. распределение озер, находящихся на территории города Казани, застраиваемой с начала XX в., по трофическому статусу
Все озера города Казани, имеющие статус гипертрофных водоемов, расположены на территориях, застроенных с начала XX в. Также для данных территорий характерно преобладание количества гипертрофных озер (24,2%) над количеством мезотрофных озер (18,9%) (рис. 61). Ретроспективные исследования позволяют определить изменение трофического статуса и выявить, что застройка территорий ведет к росту уровня трофности озер, что можно использовать при прогнозировании. Для слабозастроенных территорий города Казани характерно равное соотношение мезотрофных и эвтрофных озер (26 озер и 21 озеро соответственно), 4 озера относятся к категории олиготрофных.
Полученные результаты подтверждают, что лимногенез озер города Казани идет в сторону интенсивного антропогенного эвтрофирования, что приводит к неустойчивому или неблагополучному состоянию озер. Для озер территорий, застраиваемых в XVI-XVIII вв., количество озер минимально, прежде существовавшие здесь (по историческим свидетельствам и старым картам) многочисленные пойменные озера погребенены под мощными насыпными грунтами, а оставшиеся озера были гипертрофированы и токсикофицированы, и в настоящее время фактически вторично эвтрофированы, благодаря проводимым восстановительным и благоустроительным мероприятиям.
При анализе соотношения озер различного трофического статуса на территориях, застроенных с начала ХХ в. и слабозастроенных, очевидна тенденция увеличения уровня трофности озер при застройке территорий (рис. 62), все гипетрофные и наибольшее количество эвтрофных озер отмечаются на застроенных в ХХ в. территориях.
Выявленная тенденция преобладания эвтрофных и гипертрофных водоемов над олиготрофными и мезотрофными, также характерна в целом для территории Республики Татарстан [110], однако в последнем случае имеет место сельскохозяйственное воздействие (эвтрофирование от поступления биогенных веществ от земледелия и животноводства). Для урботерриторий определяющим является поступление загрязняющих (биогенных) веществ с поверхностным стоком, коммунальными и хозяйственно-фекальными сточными водами. соотношение озер различного трофического статуса на территориях, застроенных с начала ХХ в. и слабозастроенных территориях
Таким образом, выявлено, что трофический статус озер фактически является индикатором изменения их состояния в условиях урбанизации. Лимногенез озер города Казани идет в сторону интенсивного антропогенного эвтрофирования и токсикофицирования, что определяет необходимость проведения мероприятий по реабилитации озер города Казани.
