Представлены предложения по формированию комплекса факторов, определяющих развитие продукционных процессов в экосистемах Можайского, Рузского, Озернинского и Истринского водохранилищ и в экосистемах водохранилищ водораздельного бьефа канала им. Москвы. Разработано информационно аналитическое обеспечение изучения влияния экстремально жарких периодов на гидрохимические и гидробиологические характеристики систем водоснабжения г. Москвы. Выявлены основные закономерности гидротермического, гидрохимического режима и условий развития фитопланктона в водохранилищах водоснабжения г. Москвы в годы различной водности. Выявлены статистические закономерности временной изменчивости гидрохимических и гидробиологических показателей качества воды в водохранилищах и температурные зависимости показателей. Разработана и верифицирована имитационная модель развития фитопланктона в водохранилищах на основе моделирования процессов тепломассообмена в водохранилищах. Сделана оценка условий развития фитопланктона в экстремально жаркие периоды по результатам сценарных расчетов на основе разработанной модели. Выполнена оценка изменений гидрохимических и гидробиологических показателей качества воды при наступлении продолжительных жарких периодов. Разработаны рекомендации по снижению влияния экстремально жарких периодов на показатели качества воды в источниках водоснабжения на примере г. Москвы.

На основе оригинальных научных разработок представлен обзор рекомендуемых к использованию в рамках проекта методов исследования и оптимизации совместного функционирования Верхне-Волжской, Москворецкой и Вазузской подсистем водохранилищ в единой системе водоснабжения Московского региона.

Выполнено гидроэкологическое обоснование допустимых антропогенных воздействий по загрязняющим веществам на водохранилища Москворецкой и Волжской систем водоснабжения г. Москвы. Оценены местные особенности формирования гидрологического и гидрохимического режимов водохранилищ с учётом антропогенных воздействий.

На основании результатов моделирования внутриводоёмных процессов оценены возможности регулирования качества воды в водоисточниках, перспективность привлечения дополнительных источников водоснабжения с учётом долговременных изменений климата. Разработана прогностическая модель притока воды к водохранилищам Москворецкой и Вазузской систем водоснабжения. Оценено влияние экстремальных условий антропогенного воздействия в Вазузско-Яузской системе на состояние качества воды Рузского водохранилища и р. Москвы.

Выполнен обзор направлений исследований фитопланктона внутренних водоемов, включающий обобщение современных представлений о факторах развития фитопланктона и краткий синтез наиболее распространенных подходов к формализации этого процесса в виде математических моделей.

Произведен анализ результатов комплексных гидролого-гидрохимических съемок Можайского и Истринского водохранилищ, а также ряда специальных экспериментальных работ по изучению фитопланктона и первичной продукции Можайского водохранилища.

Рассмотрена роль зоопланктона в развитии фитопланктона и выполнен анализ результатов расчета рационов питания зоопланктона Учинского водохранилища. Представлены первые результаты статистического анализа факторов развития фитопланктона в москворецких водохранилищах с акцентом на метеорологические факторы.

Выполнены пробные расчеты по модели развития фитопланктона, результаты которых подтвержают адекватность математической модели экологических процессов в водохранилищах. Проанализированы основные факторы первичной продуктивности водохранилищ.

Рассматриваются закономерности пространственно-временных распределений минерального фосфора в москворецких водохранилищах. Показано, что в режиме поступления фосфатов в водохранилища важнейшую роль играют рассеянные (диффузионные) потоки фосфора с водосбора.

Анализ гидрологических факторов функционирования экосистем москворецких водохранилищ позволил выявить влияние их режима и морфометрии на развитие фитопланктона. Обсуждаются причины различий в экосистемах и продуктивности москворецких водохранилищ.

В работе произведена статистическая обработка рядов наблюдений качества воды в притоках Истринского водохранилища и некоторых притоках р. Москвы в верхнем течении, а также анализ материалов полевых исследований Можайского, Истринского и Вазузского водохранилищ, выполненных в летний период 2006 и 2007 гг. Рассмотрены результаты полевого эксперимента по изучению процессов трансформации качества воды в русловом тракте р. Москвы от нижнего бьефа Можайского водохранилища до Рублевского водохранилища.

Смоделирована гидрологическая структура четырех водохранилищ – Можайского, Истринского, Иваньковского и Вазузского. Обобщены закономерности миграции марганца в водоисточнике и рекомендации по организации контроля за изменениями марганца в конце зимнего периода в водохранилищах. Выполнен комплексный анализ гидробиологического режима водохранилищ.

Выполнен обзор критериев комплексной оценки качества воды водных объектов (на примере системы волжского водоисточника водоснабжения г. Москвы), а также современных представлений о принципах организации мониторинга качества воды и методов активного технического воздействия на экосистемные процессы в водоемах с целью снижения их продуктивности.

Рассмотрены теоретические вопросы перспектив управления качеством воды водохранилищ путем регулирования внутреннего водообмена водохранилищ.

В работе представлен анализ многолетних наблюдений и результаты выполненного в 2005 г. специального гидроэкологического обследования водохранилищ водораздельного бьефа канала имени Москвы.

Рассматривается полный комплекс гидроэкологических характеристик экосистем водохранилищ: гидрологический режим, гидрохимические особенности, состояние донных отложений и гидробиологические характеристики.

Особое внимание уделено наиболее проблемным вопросам состояния этих водохранилищ и их использования в качестве источника северных водопроводных станций Мосводоканала.

В приложениях к отчету по проекту приведены табличные и графические материалы обработки многолетних наблюдений и результатов гидролого-гидрохимических съемок водохранилищ.

В работе приведено описание информационного обеспечения расчетов гидротермического и экологического режимов Камского водохранилища.

Описан процесс стыковки гидрологической модели тепло- и массообмена водохранилищ ТМО и модели формирования стока в речных бассейнах ECOMAG в рамках программного комплекса.

Кратко описывается алгоритм расчета гидрологического режима многолопастного сложнодолинного водохранилища, апробированный на примере Камского водохранилища.

В результате работы подготовлено «Руководство пользователя компьютерной технологией для проведения гидротермических и гидродинамических расчетов состояния водохранилищ».

В работе представлен обзор литературы по проблемам исследований содержания органических веществ в природных водах умеренной зоны. Выполнены статистические обобщения данных многолетних наблюдений за содержанием органического вещества в водных объектах системы Волжского водоисточника г. Москвы.

Рассмотрены результаты специального гидрохимического обследования верховьев рек Волга и Тверца с целью выявления значимости отдельных притоков в процессе формирования цветности вод Волжского водоисточника. Описан алгоритм расчета изменений цветности и окисляемости вод у водозаборов водопроводных станций на Учинском водохранилище в зависимости от значений этих показателей в бассейне Иваньковского водохранилища.

Для статистических обобщений и разработки алгоритма прогноза содержания органического вещества в воде водных объектов использован современный статистический аппарат авто- и взаимокорреляционных функций, анализ статистических распределений показателей проведен с помощью компьютерного пакета BestFit. Для графического представления результатов гидрохимического обследования использованы ГИС-технологии пакета ArcView. Специальное внимание в работе уделено анализу закономерностей внутригодового режима и изменения состава органического вещества в различных водных объектах системы водоисточника. Схема прогноза представлена в виде диалогового файла расчета цветности и окисляемости вод.

Представлено описание информационного обеспечения расчетов гидротермического и экологического режимов Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ для гидрологической модели тепло- и массообмена водохранилищ (ТМО). Анализируются гидрологические особенности водохранилищ, имеющие значение для моделирования их гидроэкологического режима.

Теоретическое описание расчетного блока ледового режима водохранилищ включает перечень теплобалансовых уравнений, используемых в алгоритме программы расчета водно-снегового и кристаллического льда на водохранилищах. Специальное внимание уделено впервые разработанному алгоритму расчета внутреннего водообмена и режима моделируемых переменных в многолопастных водохранилищах.

В результате работы представлены обобщения многолетних данных наблюдений и результаты экспедиционных обследований Вазузского и Яузского водохранилищ в 2002 г. Приводятся основные сведения о водохранилищах Вазузской гидротехнической системы (ВГТС), проанализирован гидрологический и водохозяйственный режим работы системы за период ее эксплуатации.

Выявлены особенности термической структуры водных масс водохранилищ в зависимости от гидрометеорологических условий и режима перекачки воды. Установлены закономерности формирования гидрологической структуры и распределения водных масс водохранилищ, анализируются особенности проявления этих закономерностей в 2002 г.

Приведены результаты первичного обобщения данных многолетних наблюдений за химическими показателями качества воды и динамики фитопланктона в водохранилищах. Подробно обсуждаются результаты гидролого-гидрохимических съемок Вазузского и Яузского водохранилищ в 2002 г. Кратко анализируются впервые полученные данные о донных отложениях водохранилищ.

На основании гидробиологических и гидрохимических исследований проведена обобщенная оценка трофического состояния водохранилищ. Эта оценка дополнена некоторыми ориентировочными расчетами перспектив изменения продуктивности водоемов. Обсуждается система мониторинга водохранилищ ВГТС и намечаются пути ее совершенствования.

Представлены результаты верификации фосфорного блока гидрологической модели тепло- и массообмена водохранилищ (ТМО). Описан алгоритм расчета ледовых явлений (нарастания и таяния льда, даты ледостава и ледохода) с помощью модели.

Определенное внимание уделено перечню практических и теоретических задач, которые могут быть решены с помощью модели ТМО на Камских и Чебоксарском водохранилищах. Приводятся источники информации и основные характеристики лет, выбранных для сценарных расчетов состояния водохранилищ в диагностическом режиме.

Особое внимание уделено морфометрическим особенностям водохранилищ, требующим детального анализа при формировании файлов исходной информации по отдельным отсекам водохранилищ.

В работе выполнено обобщение многолетних данных наблюдений и исследований экологического состояния москворецких водохранилищ. Последовательно рассмотрены основные абиотические и биотические факторы, определяющие продукционные процессы в водохранилищах. На основе анализа многолетних материалов по водному балансу Можайского и Истринского водохранилищ выявлены основные закономерности и различия их режима регулирования. Описаны основные фазы термического режима, характер их многолетних изменений и процессы формирования термической стратификации.

На примере Можайского водохранилища установлены пространственно-временные закономерности формирования химического стока и гидрохимического режима водохранилищ, рассматриваются проблемы оценки внешней биогенной нагрузки водохранилищ. Особое внимание уделено процессам осадконакопления и влияния донных отложений на круговорот биогенных элементов в экосистемах.

Проанализированы многолетние материалы по развитию фитопланктона в водохранилищах. Отмечено снижение тенденций роста продуктивности водоемов, подтверждающееся многолетними материалами наблюдений за зоопланктоном. Особое внимание уделено внутриводоемным, прежде всего, динамическим процессам.

Проведена оценка современного трофического состояния экосистем водохранилищ по существующим классификациям и индексам.

Водохранилища ранжированы по трофическому состоянию, приведены причины различий их состояния. Описаны результаты комплексного лимнологического обследования всех москворецких водохранилищ летом 2000 г. Даны рекомендации по совершенствованию системы наблюдений (мониторинга) за экологическим состоянием водохранилищ. Составлен обзор методов воздействия на экосистемы с целью снижения уровня продукционных процессов в них.

На Можайском водохранилище выполнен цикл полевых исследований по программе «Многосуточная вертикаль–2016». По результатам комплексных наблюдений на рейдовой станции Красновидовского плеса в центральном районе водохранилища с 5 июня по 22 августа 2016 г. анализировалось влияние внутрисуточной конвекции на продукционные процессы. В сезонном слое температурного скачка зарегистрированы внутрисуточные колебания, вызванные, внутренними волнами. Наиболее контрастно проявилось влияние смены погоды при сравнении сумм ежечасных величин продукции в дни с экстремальными значениями суточной чистой продукции.

Наиболее важным результатом проведенной серии гидролого-гидрохимических съемок можно считать выявленные особенности развития зоны аноксии в водохранилище и изменения концентраций биогенных элементов в водохранилище, связанные с летней стратификацией и продукционными процессами.

Для развития модели ГМВ-ТМО разработана методика подготовки блока исходных данных для выполнения диагностических расчетов по модели, включающего файл базовых данных водохранилища, файла начальных условий и файла текущих гидрометеорологических и гидрохимических данных при наличии данных непосредственных натурных наблюдений и при их отсутствии. Разработан алгоритм формирования блока выдачи результатов счета основных расчетных характеристик модели с возможностью их обработки в программе Microsoft Excel. Внесены изменения в описание структуры модели и подготовлено методическое руководство для пользователей, включающее не только описание модели, но и примеры ее использования для решения научно-исследовательских задач.

На основе данных наблюдений за наполнением москворецких водохранилищ с разработана классификация показателей режима весеннего заполнения водохранилища многолетнего регулирования, которая была использована при анализе структуры водных масс и формирования биогенной нагрузки водохранилища.

По модели ГМВ-МГУ выполнены расчеты экологического состояния Можайского водохранилища в различные по гидрометеорологическим условиям годы за 55-летний период. Анализ результатов расчета позволил установить основные закономерности режима растворенного минерального фосфора в период наполнения водохранилища. В конце зимы количество фосфатов в водоеме тесно связано с объемом зимнего притока, который за прошедшие 55 лет увеличился более, чем в 2 раза. Изменение объема весеннего половодья с момента создания водохранилища по настоящее время имеет слабо выраженный отрицательный линейный тренд. С поступлением речных вод половодья запасы фосфатов быстро пополняются, достигая своего максимума в среднем спустя неделю после прохождения пика половодья на реках водосборного бассейна.

Расчетные значения составляющих баланса минерального фосфора в весенний период позволяют выделить изменения доминирующих потоков при наполнении водохранилища. В приходной части баланса фосфатов в это время доминирует поступление с речным притоком (98%), в расходной – седиментация с минеральной взвесью (42%).

Установлено, что чем выше температура воздуха в начале весны и чем интенсивнее подъем половодья на реках водосбора, тем меньше в водоем поступает фосфатов с его водосбора. Максимум содержания фосфатов в водохранилище наступает, как правило, раньше момента его максимального весеннего наполнения, т.е. снижение запаса фосфатов начинает происходить еще при продолжающемся заполнении водохранилища. После достижения максимума биомассы весеннего фитопланктона и начала его отмирания скорость снижения запасов фосфатов существенно замедляется.

По модели ГМВ-МГУ выполнены экспериментальные расчеты вероятного изменения гидрологического режима некоторых разнотипных водохранилищ на территории ЕТР при реализации наиболее неблагоприятных прогнозов сокращения стока с водосбора.

Можно ожидать увеличения внутригодовой амплитуды температуры поверхности воды на 2-3 град. для Можайского, Истринского, Иваньковского и Цимлянского водохранилищ и до 4-5 град. для Камского, Куйбышевского и Рыбинского водохранилищ.

Ожидается увеличение продолжительности периода открытой воды за счет более раннего таяния ледяного покрова и более позднего ледостава (что благоприятно для водохранилищ, имеющих транспортное значение).

При уменьшении притока воды с водосбора сократится амплитуда колебаний уровня воды в водохранилищах на 1,5-2 м. Сократится проточность водохранилищ (Рыбинского, Куйбышевского и Камского – в 1,2 раза, Истринского – в 1,3 раза, Можайского – в 1,4 раза, Цимлянского и Иваньковского – в 1,5 раза). Наиболее существенное сокращение проточности придется на весенний период при уменьшении слоя стока воды за половодье на притоках.

Увеличится продолжительность периода прямой стратификации: на 2-3 декады на Рыбинском водохранилище, до 5 декад на Можайском и Истринском водохранилищах и до 3 месяцев на Куйбышевском водохранилище (главным образом за счет более раннего ее формирования весной). Наибольшее увеличение разности поверхностной и придонной температуры в глубоководных районах за период с мая по сентябрь ожидается на Рыбинском, Куйбышевском и Можайском водохранилищах (более 4 град.).

Данные особенности повлекут за собой изменения в экосистемах водоемов. Усиление стратификации и увеличение ее длительности препятствуют обмену донных отложений с водной массой биогенными элементами, усиливающими вспышки цветения водоемов в конце лета, когда в придонных слоях в условиях аноксии минеральный фосфор поступает в придонные горизонты. Однако с другой стороны, поперечные циркуляции, вызванные ветровым воздействием, после продолжительной аноксии в придонных горизонтах, отделенных от водной толщи устойчивым слоем скачка, могут способствовать локальным вспышкам цветения.

Уменьшение амплитуды колебаний уровня благоприятно для развития макрофитной растительности, снижающей фосфорную нагрузку на водоем, однако общее понижение уровня может снивелировать этот фактор за счет увеличения обмена фосфором с донными отложениями при уменьшении глубины.

В случае потепления опасный фактор с точки зрения «цветения» водоема (особенно для водохранилищ с обширными мелководьями) – температура воды в придонном слое. При снижении уровня прогрев придонных слоев может вызвать более раннее наступление фазы всплытия клеток цианобактерий. Но увеличение температуры воды в поверхностном слое может, наоборот, ограничивать цветение. При смещении сроков наступления характерных фаз гидрологического режима можно ожидать более ранее наступление фаз развития основных отделов водорослей.

К середине XXI в. в Можайском, Истринском и Озернинском водохранилищах прогнозируется увеличение объема и продолжительности существования зон аноксии в летний период; учащение заморных явлений в случаях длительного установления антициклонический погоды и прекращения газообмена между эпилимнионом и гиполимнионом; снижение продукции в связи с низким притоком биогенных веществ за период половодья; улучшение кислородного режима в зимний период (отсутствие аноксидных условий в придонных слоях) при сокращении продолжительности периода ледостава.

В результате анализа и обобщения данных наблюдений за кислородным режимом Москворецких водохранилищ за предыдущие годы выявлено, что возникновение и развитие зон аноксии водохранилищ в последние десятилетия заметно усилилось и стало типичным для периодов стратификации.

Усовершенствованы алгоритмы нескольких подпрограмм расчета экологически значимых веществ в модели ГМВ-МГУ, произведена калибровка коэффициентов подпрограмм «PHYTO», «ORGANIC», «OXYGEN». В алгоритме расчета концентрации растворенного кислорода учтен процесс поглощения кислорода донными отложениями, что привело к существенному улучшению качества расчета.

По данным многолетних наблюдений проведена серия верификационных расчетов режима растворенного кислорода и других экологически значимых веществ в Можайском, а также Рузском, Озернинском, Истринском и Учинском водохранилищах (с калибровочными коэффициентами, полученными для Можайского). Расчеты показали высокое качество воспроизведения характеристик качества воды.

В 2012 году впервые за 30 лет проведен масштабный полевой эксперимент «Балансовый год-2012» (9 съемок Можайского водохранилища, 35 объездов притоков, более 160 рейдовых станций, более 1000 определений важнейших компонентов качества воды). Данные эксперимента позволили провести подробнейшую верификацию модели ГМВ-МГУ с целью уточнения алгоритма ее экологического блока и значений скоростей экологических процессов с учетом современного состояния Можайского водохранилища.

Успешно проведен специальный полевой эксперимент по наблюдению за режимом и марганца в вегетационный период и трансформацией их форм в гипоксидных и кислородных условиях, направленный на уточнение коэффициентов в алгоритмах соответствующих подпрограмм модели.

Для проведения валидации модели ГМВ-МГУ на основе независимых современных данных в июне и августе 2013 года проведено по 2 гидролого-гидрохимические съемки всех четырех водохранилищ Москворецкой водной системы. Качество проведенных валидационных расчетов определено как «удовлетворительное» и «хорошее».

Экологический блок модели ГМВ МГУ адаптирован для Вазузского водохранилища. Результаты расчетов показали, что модель адекватно имитирует режим основных экологических характеристик в различных отсеках водохранилища в течение всего годового цикла.

Проведенными сценарными расчетами кислородного режима Москворецких водохранилищ количественно оценены максимально возможные объемы зоны гипоксии с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л и зоны аноксии (где растворенный кислород отсутствует). Показано, что при незначительной сработке водохранилищ перед весенним наполнением и пропуске половодья транзитом развитие бескислородных условий в водоеме в летний период начинается позже и происходит менее интенсивно, чем при опорожненном до минимального уровня к началу весны водохранилища и накоплении весенних вод в водоеме с санитарным попуском в этот период. Сделан вывод о том, что вне зависимости от высоты половодья максимальные объемы гипоксидной зоны могут наблюдаться в случаях, когда в начале осеннего периода продолжает сохраняться антициклональный тип погоды. Также расчеты показали, что при наступлении кратковременных штормовых периодов с резкими похолоданиями в условиях жаркого лета в водохранилищах может полностью исчезнуть зона гипоксии, которая вновь появляется через 3-7 дней после установления антициклонального типа погоды.

Серией сценарных расчетов исследовано влияние внешней биогенной нагрузки на кислородный режим водохранилищ. Показано, что при её увеличении в 5 раз сильно возрастает содержание растворенного кислорода в эпилимнионе в весенний период, что происходит за счет интенсификации развития диатомовых водорослей. При увеличении биогенной нагрузки увеличивается и объем гипоксидной зоны (до 20%).

Специальным полевым экспериментом подробно рассмотрена внутриплесовая пространственная неоднородность содержания растворенного кислорода на нескольких участках водохранилища. Установленные закономерности полностью подтверждают гипотезу о увеличении погрешности модельного расчета в периоды активного протекания продукционных процессов вследствие усиления пространственной неоднородности. Несмотря на это использование одной вертикали для характеристики распределения растворенного кислорода признано целесообразным.

В результате проекта разработана серия рекомендаций, направленная на снижение негативного влияния природных и антропогенных воздействий на кислородный режим и развитие зон гипоксии в москворецких водохранилищах. В качестве основной рекомендации предложено поддержание максимально высокого уровня в водохранилищах в вегетационный период, наиболее же эффективной (но при этом дорогостоящей) мерой принята экологическая реконструкция водохранилищ в полисекционные водоемы.

Успешно завершено создание универсальной сеточно-боксовой математической модели гидрологического режима водохранилища. В основу ее алгоритма положена боксовая гидрологическая модель многолопастного долинного водоема (ГМВ–МГУ) с блоками STREAM (потоки воды, теплоты и веществ во внутреннем водообмене) и ИНКВ (изменения неконсервативных веществ). В нее встроен блок ветровых течений, используемый в гидродинамической модели Рыбинского водохранилища ИБВВ РАН. Для отладки новых блоков проведены трехлетние полевые исследования режима неконсервативных характеристик состава воды (кислорода, фосфора, растворенных и взвешенных органических веществ, видового состава и биомассы фитопланктона) на Можайском водохранилище. Их результаты показали, что изменчивость концентрации НСО3 в 4–5 раз больше в фотическом слое, где особенно интенсивен фотосинтез, велики пересыщение воды кислородом и величина рН. Изменчивость других характеристик на 1–2 порядка больше не только из-за большей неконсервативности, но и из-за меньшей точности определения малых концентраций. Изменчивость содержания хлорофилла «а» и биомассы фитопланктона на горизонте 0,5 м особенно велика и сопоставима с изменчивостью мутности и фосфора. Пространственная изменчивость неконсервативных веществ в 2–5 раз больше внутрисуточной. Полученные данные использованы для статистической оценки качества модельных расчетов по новым блокам.

Выполнены диагностические расчеты гидрологического режима Рыбинского водохранилища в многоводный 1962 и маловодный 1964 годы. Сопоставление результатов с данными его гидролого-гидрохимических съемок в эти годы показало хорошее воспроизведение синоптических колебаний температуры и минерализации водных масс во всех 4 плесах водохранилища – Волжском, Моложском, Шекснинском и Главном. Расчетные биомассы диатомовых весной и синезеленых летом (как максимальные, так и средние) близки к наблюдавшимся.

Выполнены прогностические расчеты возможного изменения режима водохранилища при прогнозируемом на географическом факультете МГУ возможном климатическом изменении стока Верхней Волги.

Экспериментальными наблюдениями на Можайском водохранилище определены величины седиментационных потоков взвесей в толще воды и в донные отложения в летний период при разнообразных гидрометеорологических условиях.

Режимные наблюдения за факторами, определяющими седиментационные потоки (содержанием взвеси в воде, интенсивностью продукционно-деструкционных процессов, содержанием органического вещества в толще воды и донных отложениях, деструкцией органического вещества в илах) позволили рассчитать ориентировочные балансы взвешенного и органического вещества в разных районах Можайского водохранилища и оценить величину взмучивания донных отложений. Вклад взмучивания в верхнем районе водохранилища сопоставим, а в среднем и нижнем районах – часто превышает вклад первичной продукции фитопланктона.

Анализ полученных данных показал, что на интенсивность седиментационных потоков в долинном водохранилище оказывает влияние стратификация водной толщи. При усилении устойчивости водной толщи к перемешиванию в составе взвеси уменьшается доля минеральных частиц взмученных донных отложений и повышается доля автохтонного органического вещества (в том числе за счет развития синезеленых, обладающих плавучестью, и накопления детрита, скорость оседания которого невелика).

Проведены теоретические и натурные исследования формирования и развития течений и их влияния на гидрохимические и гидробиологические процессы в водохранилищах и озерах при различных синоптических условиях и типах стратификации вод. Выполнен анализ результатов измерений распределений скорости, температуры, концентраций взвеси, фосфора, кислорода и хлорофилла «а», проведенных в 2005-2007 гг. на озерах Телецком и Онежском и на Вазузском, Истринском, Можайском водохранилищах.

Разработаны новые и модифицированы построенные ранее математические модели течений, переноса взвеси, тепло- и массообмена, проверенные по данным, полученным авторами проекта в 1996–2007 гг. на 10 водохранилищах и озерах.

С применением нового современного комплекса аппаратуры для многопараметрических измерений получены профили скорости, температуры, концентраций взвеси, растворенных солей, кислорода и хлорофилла «а» на разрезах и рейдовых станциях. Выявлены структуры, закономерности развития течений и переноса примесей.

Выявлены механизмы: а) преобразования промежуточных струй в придонное течение, б) энергопередачи от дрейфового течения к придонному потоку того же направления при двойной циркуляции, в) формирования рециркуляционного течения, порожденного речным притоком в озеро, и затока в приустьевую область холодной струи глубинных вод, г) модуляции плавучей струи, стекающей с куполообразного термоклина, под влиянием внутренних сейш Телецкого озера; д) взаимодействия плотностных, промежуточных и стоковых течений, перетекающих через подводный порог из меридиональной части Телецкого озера в широтную; е) переноса импульса в плотностной поток через термоклин при изменениях устойчивости по всей глубине водоема.

Разработаны и проверены математические модели: а) переноса взвеси и растворенных солей плотностными потоками; б) течений в широтной части Телецкого озера; в) струи, транспортирующей взвеси и растворенные соли; г) транспорта растворенного кислорода и минерального фосфора придонными стратифицированными течениями; д) модифицированная модель тепло- и массообмена в морфологически сложных водохранилищах, включающая блоки для расчета распределений фосфора и кислорода.

Выявлены: а) структуры плотностных потоков, сопутствующих развитию термобара на специально созданной лабораторной установке; б) новые особенности слияний и разделений плотностных течений в узлах рукавов водоема.

Получены детальные данные о пространственно-временных преобразованиях структур полей скорости придонных, струйных течений и параметров состава воды по результатам измерений на разрезах и рейдовых станциях в различных гидрометеорологических условиях в Петрозаводской губе Онежского озера.

Разработана новая модификация квазидвухмерной модели ТМО для расчета гидрологического режима морфологически сложных долинных водохранилищ, которая предусматривает последовательный расчет тепло- и массообмена в каждой отдельной лопасти водохранилища, стыковочных отсеках и главном его плесе.

Завершена адаптация этой версии квазидвухмерной боксовой модели к морфологически сложным Вазузскому, Иваньковскому, Истринскому, Камскому и наиболее сложному котловинно-долинному Рыбинскому водохранилищу. Верификационными расчетами по модели подтверждена адекватность воспроизведения пространственно-временной изменчивости гидролого-гидрохимического режима исследованных водохранилищ.

На Можайском и Вазузском водохранилищах проведены специальные полевые эксперименты «Триверт-2005» и «Вазуза-2006» для углубленного исследования пространственной структуры процессов внутреннего водообмена в отсеках и узлах слияния лопастей водохранилищ в период стратификации. Результаты экспериментов позволили получить более полное представление о внутрисуточной изменчивости вклада отдельных факторов (адвекции, конвекции, ветроволнового перемешивания, сгонно-нагонных зон ап- и даунвеллингов, внутренних волн в сезонном слое скачка плотности воды) в трансформацию основной водной массы водохранилища, а также наметить пути совершенствования модели ТМО.

Многовариантными модельными расчетами выявлена и количественно оценена роль стоковых и плотностных течений в синоптическом, сезонном и межгодовом изменении гидрологической структуры стратифицированных многолопастных водохранилищ. Установлен возможный диапазон изменения интенсивности внутриводоемных процессов трансформации химического состава водных масс в годы различной водности. По результатам диагностических расчетов проведена сравнительная оценка вклада тепловых потоков на границе вода–атмосфера и адвективного обмена теплотой между расчетными отсеками Можайского водохранилища в формирование его вертикальной гидрологической структуры в годы с различным гидрометеорологическим режимом.

Циклом прогностических расчетов оценено вероятное изменение трофического статуса отдельных районов сложнодолинных водохранилищ–источников водоснабжения г. Москвы в случае роста фосфорной нагрузки при средних, наиболее часто повторяющихся гидрометеорологических условиях.

Статистическим анализом 40-летних наблюдений за гидроэкологическим состоянием Можайского водохранилища установлены тренды интенсивности водообмена и генетического состава основной водной массы, связанные с климатическими изменениями.

Усовершенствована модель ТМО. Алгоритм динамического перемешивания в стоковом течении существенно улучшил воспроизведение моделью внутреннего водообмена. Добавлен экологический блок, представляющий описание взаимодействия двух основных форм фосфора (взвешенного органического и растворенного минерального). Оптимизирован расчет содержания в воде водохранилищ растворенного кислорода.

Данные специального полевого эксперимента, реализованного на Можайском водохранилище, позволили провести детальную валидацию новой версии модели ТМО, учитывающую как пространственно-временную неоднородность водных масс, так и неизбежные случайные ошибки измерений, химических и биологических анализов проб.

Разработанный в рамках проекта программный комплекс "Управление водообменом водохранилищ" использован для оценки диапазона изменения температуры и минерализации воды за годы экстремальной водности в следующих водохранилищах: Можайском, Иваньковском, Угличском, Камском, Горьковском, Чебоксарском, Куйбышевском, Воткинском, Волгоградском. Проведены серии сценарных расчетов, позволившие оценить степень влияния режима работы гидроузла на изменения моделируемых характеристик.

Специальными модельными расчетами гидроэкологического состояния Можайского водохранилища изучен режим деструкции органического вещества в различных водных массах водохранилища.

Проведена оценка раздельного вклада конвективного и ветрового динамического перемешивания в формировании и разрушении суточного, синоптического и сезонного слоев скачка плотности воды, проанализирована роль стокового и плотностного течений во внутриводоемном тепло- и массообмене водохранилища. По результатам расчетов установлено, что вклад плотностных течений в перенос тепла существенно больше, чем продольный водообмен, особенно в период летней стратификации водохранилища и ее осеннего разрушения.

Выявлена структура гидрофизических и биогеохимических процессов, определяющих малый химический круговорот в стратифицированных водохранилищах и оказывающих существенное влияние на интенсивность развития цветения фитопланктона в водохранилищах.

Сформулировано понятие «гидрологическая структура» водоема как комплекс 4 взаимосвязанных структур водной экосистемы: вещественной, энергетической, частотной и пространственной.

Результаты статистического анализа многолетних колебаний 40 характеристик экосистемы Можайского водохранилища за весь период его существования (1960-2000 гг.) показали, что слабые климатические изменения привели к сильным изменениям колебаний уровня, водообмена, к изменению генетического состава основной водной массы водохранилища, увеличению минерализации воды и усилению кристаллизации CaCO3 в трофогенном слое.

Гидроэкологическими наблюдениями 1999 г. обнаружен малый круговорот химических веществ – сложный механизм их обмена в эпилимнионе в солнечную и штилевую погоду. Этот круговорот с участием хемогенного кальцита регулирует цветение в водохранилище. Показано, что слабый ветер может вызывать сильную деформацию экологической структуры водоема. Выявлена поперечная плотностная циркуляция воды в закраинах в период наполнения водохранилища ранней весной.

По модели тепло- и массообмена водохранилища (ТМО) выполнен расчет ежедневного изменения по глубине термического состояния экосистемы в вегетационные периоды пяти лет разной водности. По результатам расчета исследованы особенности синоптической трансформации гидрологической структуры в верхнем, центральном и приплотинном районах водохранилища. Разработаны и верифицированы блок расчета содержания растворенного кислорода и модель ветровых течений в центральном районе Можайского водохранилища. Численным экспериментом по этой модели показана значимость узкой, извилистой русловой ложбины в формировании поля течений и в размещении зон ап- и даунвеллинга при ветрах разного направления и силы.

Выполнены комплексные исследования гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических процессов массообмена в водохранилищах. Эффективность работ обеспечивалась за счет консолидации усилий специалистов по изучению течений, внутренних волн и конвекции, транспорта примесей, эволюции состава воды и биопродуктивности. Междисциплинарные исследования велись в 6 экспедициях на равнинных Можайском, Истринском, Иваньковском и горном Имандровском водохранилищах.

Созданы измерительные системы и выполнены детальные комплексные регистрации профилей скорости течения, температуры воды, концентраций взвеси, солей, газов и фосфора, рН, а также скоростей гидрохимических и гидробиологических процессов. Измерения проводились на долгосрочных рейдовых станциях, на разрезах и в разных точках водоема при комплексных синхронных съемках всей акватории.

Детально прослежена эволюция плотностных потоков с внутренними волнами и выявлены механизмы формирования трех новых видов придонных и промежуточных стратифицированных течений. Среди них неожиданно сильными скоростями выделяется внутриплесовое циркуляционное течение, индуцированное дрейфовым потоком. Мощным воздействием на перенос примесей в эпилимнионе отличаются струйные течения, вызванные воздействием дрейфового потока и внутренней волны на динамику вод. В зонах донной эрозии и промышленных стоков обнаружены вторичные гравитационные придонные потоки, возникающие в толще основного течения. Разработаны методики определения вертикальной компоненты скорости внутренней волны и профиля скорости суспензионного потока по спектрам размеров частиц взвеси.

Выявлены механизмы синоптической эволюции гидрофизических и гидрохимических полей. Обнаружена гидробиологическая трансформация состава вод, приводящая к снижению их минерализации в зонах слабых дрейфовых течений с максимальной массой фитопланктона. Выявлен эффект усиления регенерации фосфора из донных отложений при повышении устойчивости стратификации вод.

Разработаны и проверены математические модели плотностных потоков, взаимодействующих с дном и окружающей водной средой; модель циркуляций Ленгмюра с учетом уменьшения испарения под влиянием поверхностных загрязнений при разных метеоусловиях; построены и проверены математические модели тепло- и массообмена в стратифицированных водохранилищах.

Проанализированы тенденции антропогенной трансформации потоков фосфора в гидросфере и получена количественная оценка поступления фосфора в прибрежную зону океана с канализационными сточными водами. Собраны данные об элементах баланса фосфора почти 400 озер и водохранилищ, суммарные водные ресурсы которых составляют не менее 95% объема поверхностных вод суши. Проведен сравнительный анализ трансформации транзитных потоков фосфора в водохранилищах; показано, что озера и техногенные водоемы существенно различаются по интенсивности этого процесса.

Проведены экспериментальные 20-суточные наблюдения на Можайском гидрологическом полигоне МГУ за синоптически обусловленной трансформацией фосфора в стратифицированном водохранилище в сезон летней стагнации. Получено общее двухпараметрическое уравнение скорости деструкции природного органического вещества для временнóго интервала от нескольких часов до 2-4 млн лет. Это уравнение использовано для описания седиментационных потоков органического вещества в океане.

На основе кинетических и динамических моделей биоседиментации и биотрансформации потоков фосфора в океане показано, что в донных осадках захоранивается не более 0,1% седиментационного потока фосфора. Экспериментальным моделированием установлено, что гидроксид железа, образующийся при взаимодействии подводных гидротермальных растворов с морской водой, содержит около 5% фосфора по весу.