CC BY
32
УДК 556.535
КОМПЛЕКСНАЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ В УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ В ЗИМНИЙ СЕЗОН 2008 г.
© 2009 г. Ю.А. Федоров, А.Э. Овсепян, А.А. Зимовец, М.И. Хромов
Южный федеральный университет, Southern Federal University,
344090, Ростов н/Д, ул. Зорге, 40 344090, Rostov-on-Don, Zorge St., 40,
dek_geo@sfedu.ru dek_geo@sfedu.ru
Представлены результаты эколого-геохимических исследований в устьевой области Северной Двины в феврале-марте 2008 г. Определены характерные черты пространственного распределения и вертикальной дифференциации pH и Eh для талого снега, воды и донных отложений Северной Двины. Полученные результаты сопоставлены с данными летних экспедиций, выявлены особенности изменения pH и Eh в разные сезоны года.
Ключевые слова: эколого-геохимическая экспедиция, устьевая область Северной Двины, донные отложения, Ph (водородный показатель), талый снег, Eh (окислительно-восстановительный потенциал), кислород, восстановленные газы, органическое вещество, эколого-геохимическая экспедиция, аэрозоли, гранулометрический состав.
The results of complex ecology and geochemical researches in Northern Dvina estuary are presented. The characteristic feature of spatial distribution and vertical differentiation ofpH and Eh for melted snow, water and bottom sediments of Northern Dvina are determined. The received results are compared with data of summer expedition, the features ofpH and Eh change in different seasons of year are revealed.
Keywords: ecological and geochemical expedition, Northern Dvina River estuary, bottom sediment, melted snow, hydrogen ion exponent oxidation-reduction potential, oxygen, reducing gas, organic matter, particulate pollutant, grain-size classification.
Устьевая область одной из крупнейших рек ЕТР Северной Двины подвержена значительному техногенному воздействию со стороны крупнейшего промыш-ленно-транспортного узла, сформированного г. Ново-двинск, Архангельск и Северодвинск. В настоящее время сложившаяся здесь неблагоприятная экологическая ситуация обусловливает повышенный интерес исследователей к данному водному объекту. При этом несмотря на активное и всестороннее изучение устья реки и прилегающей акватории Белого моря, комплексные геохимические исследования в зимних условиях в этом регионе относительно малочисленны.
В феврале-марте 2008 г. проведена экспедиция, явившаяся частью регулярных комплексных исследо-
ваний устьевой области реки, которые осуществлялись ранее, как правило, в летне-осенний период [1-4].
Целью настоящей комплексной экспедиции было изучение особенностей поведения в северных широтах в зимний период таких веществ, как ртуть, другие тяжелые металлы, метан и сероводород.
В ходе экспедиции осуществлялся отбор проб снега, льда, воды и донных отложений. География исследований, включающая приустьевой участок (от устья р. Пинеги до г. Архангельска) и дельту реки, состоящую из рукавов Никольский, Мурманский и Корабельный и проток Маймакса и Кузнечиха, представлена на рисунке, табл. 1.
Карта отбора проб Таблица 1
Окончание табл. 1
Пункты отбора проб
№ Название пункта Координаты
Широта Долгота
9 Проток Маймакса, порт Экономия левый берег правый берег 64°40'41,9" 64°40'44,2" 40°29'26,2" 40°29'41,6"
13 Архангельск, Соломбала правый берег 64°34'34,5" 40°30'2,3"
15 «Вершина дельты» середина правый берег 64°31'23,9" 64°31'32,3" 40°33'10,9" 40°33'16,7"
17 г. Новодвинск ниже г. Ново-двинск (д. Турдеево) левый берег район сброса сточных вод АЦБК выше г. Новодвинск середина 64°27'36,9" 64°26'42,0" 64°24'43,6" 40°46'48,0" 40° 50'5,8" 40°50'48,2"
18 с. Усть-Пинега левый берег середина правый берег 64°09'07,1" 64°09'11,5" 64°09'08,7" 41°54'15,8" 41°54'36,5" 41°55'56,0"
19 р. Пинега 64°07'33,2" 41°56'33,5"
20 р. Соломбалка на пр. Никольский на ул. Советская 64°34'24,0" 64°34'29,6" 40°30'42,5" 40°31'10,4"
21 р. Юрас левый берег правый берег 64°35'59,8" 64°36'00,9" 40°37'30,7" 40°37'35,8"
22 Проток Кузнечиха, л/з № 29 левый берег середина 64°42'05,4" 64°42'08,4" 40°32'26,8" 40°32'37,5"
№ Название пункта Координаты
Широта Долгота
22 Проток Кузнечиха, л/з № 29 левый берег середина 64°42'05,4" 64°42'08,4" 40°32'26,8" 40°32'37,5"
23 Протока Кузнечиха, ниже ЦБК, ТЭЦ и СДК правый берег 64°35'28,3" 40°35'51,7"
25 Вершина Корабельного рукава 64°37'34,9" 40°25'29,3"
27 Никольский рукав, с. Рикаси-ха 64°32'55,5" 40°10'43,1"
28 Ниже сброса сточных вод птицефабрики 64°28'29,1" 40°50'47,0"
29 с. Трепузово 64°21'52,5" 41°02'31,3"
30 Малые Корелы 64°27'18,8" 40°57'9,7"
Пробы снега и льда послойно отбирались пластиковым совком в полиэтиленовые кульки, после чего они растапливались при комнатной температуре. Полученная вода фильтровалась через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Отбор проб воды осуществлялся с помощью батометра в период «малой воды» из поверхностного и придонного горизонта.
С помощью грунтовой трубки отбирались колонки донных отложений различной мощности (от 6 до 25 см). Также определялись рН и БИ воды, талого снега и льда, донных отложений и содержание И28 в последних. Определение значений рН и Eh производилось с помощью лицензированных приборов фирмы «Экотест» по стандартной методике [5]. Также велись метеорологические и гидрологические наблюдения.
В период проведения экспедиции глубина реки варьировалась в пределах 1,8 (ст. «р. Пинега, с. Усть-Пинега» (середина)) - 10-11 м (ст. «р. Северная Двина, с. Усть-Пинега» (середина), «Вершина дельты» (железнодорожный мост)). Температура поверхностного горизонта вод изменялась слабо и в основном колебалась в пределах 0-0,5 °С. Толщина льда изменялась от 5 (р. Соломбалка и Юрас) до 45 см (ст. «Со-ломбала» и «с. Усть-Пинега»).
Температура воздуха в основном составляла -8... -9 °С, временами опускаясь до -20.-21 °С. В течение 3 дней наблюдалась оттепель, сопровождающаяся повышением температуры до +1...+2 °С и выпадением атмосферных осадков в виде дождя и мокрого снега. Частые снегопады и метели обеспечили устойчивый снежный покров, мощность которого существенно изменялась по всей площади исследуемой области. Так, в районе г. Архангельск и Новодвинск толщина снега изменялась от 10 до 20 см; наиболее высокий снежный покров отмечен на территории музея-заповедника «Малые Корелы» (до 68 см), а также выше г. Новодвинск и в Корабельном рукаве (35 см). Для таких станций наблюдений, как «Вершина дельты», р. Со-ломбалка, Юрас и Корабельный рукав, было визуально отмечено существенное загрязнение поверхности
Вариации значений pH и Eh в различных
снежного покрова аэрозольным материалом, выпавшим из атмосферы в виде твердых и жидких осадков.
При исследовании талого снега выявлены значительные изменения рН на всей исследуемой территории (табл. 2). Для большинства проб снега отмечена слабокислая реакция. Полученные результаты сопоставимы с данными других авторов, согласно которым рН атмосферных осадков в исследуемом регионе составлял 5,5 (о. Мудьюгский) [6, 7]. Низкие значения рН, возможно, обусловлены повышенным содержанием в атмосфере продуктов горения (С02, N02 и 802) в зимний период. Пробы, отобранные в районе д. Турдеево (8,38) и с. Усть-Пинега (7,60), характеризовались слабощелочными и нейтральными условиями среды. По-видимому, относительно высокие значения рН являются здесь следствием нейтрализации среды в результате взаимодействия атмосферных осадков с аэрозолями. Так, для с. Усть-Пинега это может быть связано с высокой концентрацией карбонатов в аэрозолях - продуктах эрозии массива известняков и зольных продуктов горения, поступающих от расположенного в 20 км космодрома Плесецк. Деревня Турдеево находится под прямым воздействием ТЭС АЦБК, где отмечено сильное локальное загрязнение снежного покрова [8], обусловленное поступлением золошлаков, содержащих соединения карбонатов калия, кальция, магния.
Таблица 2
юнентах устьевой области Северной Двины
Компонента Зимний сезон Летний сезон [1, 2]
pH Eh, мВ pH Eh, мВ
Снег 422-838 6,01 +6...+304 +138 -
Вода Поверхностный горизонт 6,06-7,87 6,77 -6. .+472 +201 758-7,93 7,78 +78 ..+140 +108
Придонный горизонт 655-7,55 7,02 +16. .+449 +237 7,42-8,12 7,75 +60. .+136 +106
Донные отложения Поверхностный горизонт 635-7,68 726 -290.. .+17 -115 693-7,71 7,28 -23 ..+73 -12
Подповерхностный горизонт 6,63-8,02 7,40 -275.. .+25 -164 658-7,17 6,97 -176 ..+5 -78
Примечание. В числителе указан интервал изменения концентраций, в знаменателе - среднее значение; «-» - показатель не определялся.
Величины БИ в талом снеге варьировались в широком диапазоне от +6 до +304 мВ. При этом наиболее низкие значения редокс-потенциала выявлены в снежном покрове р. Пинега (+59 мВ), на приустьевом участке Северной Двины в районе с. Усть-Пинега (+6,3 мВ), ст. «Малые Корелы» (+19 мВ), а также в протоке Кузнечиха ниже сброса сточных вод л/з № 29 (+37 мВ) и СЦБК и ТЭЦ (+57 мВ). Максимальные - в Никольском рукаве (+304 мВ) и у д. Турдеево (+289 мВ). При сопоставлении полученных результатов со значениями рН и БИ воды выявлено, что для снега эти показатели были значительно ниже, чем для водной толщи, что само по себе уже представляет научный интерес и требует дальнейших исследований.
Для проб воды наиболее значимые величины рН от 6,06 до 7,87 выявлены в поверхностном слое воды. В придонном же горизонте значения рН варьировались в диапазоне, характерном для вод с близкой к нейтральной реакции среды. Слабокислые воды обна-
ружены в пунктах «Вершина дельты» (6,18-6,37), р. Юрас (6,06), д. Трепузово (6,28), Никольском (6,28) и Корабельном (6,21) рукавах.
Площадное распределение величин редокс-потен-циала характеризовалось неоднородностью. В целом на большинстве станций наблюдений значения БИ не превышали средней величины (+221 мВ). Наибольшие величины этого показателя выявлены на ст. «Вершина дельты» (+472 мВ), у л/з № 29 (+449 мВ) и порта Экономия (+439 мВ), наименьшие - в районе о. Соломбала и г. Новодвинска (до -6 мВ). Вертикальное распределение значений БИ также отличалось большим разнообразием. В поверхностном горизонте воды показатели окислительно-восстановительного потенциала изменялись от -6 до +471,8 мВ. В придонном слое данный показатель обычно был несколько выше и находился в диапазоне от +16 до +449 мВ. Таким образом, на некоторых станциях наблюдалось явление «перевернутого
дна», когда вследствие интенсивного использования
метаноокисляющими бактериями кислорода его количество в поверхностном слое воды у льда ниже, чем в придонном горизонте [9].
При сопоставлении полученных данных с результатами летних экспедиций было выявлено, что значения рН вод зимой был несколько ниже, чем летом. Это объясняется тем, что в теплый сезон при интенсивном фотосинтезе идет активное поглощение диоксида углерода, что способствует подщелачиванию среды. Средние значения показателя БИ в поверхностном и придонном горизонтах воды в зимний период почти в два раза превысили средние величины, регистрируемые в летний сезон. Это можно связать с отсутствием систематического поступления органики в водоем в холодную часть года, что влияет на содержание кислорода, расход которого на окисление органики существенно уменьшается. Другой причиной может быть снижение активности бактерий, окисляющих органические вещества природного и антропогенного происхождения зимой. В летний период отмечен незначительный разброс значений рН и БИ между поверхностным и придонным слоями воды. В зимних условиях имеются существенные различия, о которых сказано выше.
Гранулометрический состав донных отложений исследуемой области Северной Двины характеризуется следующим распределением. В вершине приустьевого участка с довольно сильным течением донные осадки главным образом представлены песчаными фракциями средне- и мелкозернистой размерности. Сходная картина наблюдается в рукавах и протоках дельты реки. Осадки неглубоких с относительно низкими скоростями течения проток Юрас и Соломбалка, испытывающих высокую антропогенную нагрузку, характеризуются наличием илов со слабым запахом нефтепродуктов и сероводорода, низкими значениями рН и Ек Особую группу составляют донные отложения (илы и заиленные пески со слабым запахом сероводорода), подверженные длительному антропогенному воздействию (протока Кузнечиха), которые ранее были отнесены к техногенным образованиям [3]. Данный тип донных отложений характеризуется слабокислыми и восстановительными условиями среды.
В целом значения рН в поверхностном горизонте донных отложений изменялись в пределах от 6,35 до 7,68, при этом в подповерхностном слое они были несколько выше (6,63-8,02). Минимальные значения рН обнаружены в донных осадках протоки Кузнечиха, л/з № 29 (6,35), где наблюдались слабокислые условия среды, а максимальные - для донных отложений р. Пинега (8,02) и Северная Двина в районе с. Усть-Пинега (7,51). Существенных изменений водородного показателя при переходе из придонного горизонта воды (7,02) к поверхностному слою донных отложений (7,26) не выявлено.
Геохимическая обстановка в донных осадках в основном была восстановительной. Редокс-потенциал в верхних слоях донных отложений был в основном значительно выше, чем в нижних. Возможно, это является следствием снижения активности бактерий в
холодный период года в придонном горизонте воды, когда находящийся здесь и в верхних, более рыхлых
слоях донных осадков кислород в значительно меньшей степени расходуется на окисление органических веществ. Это также может быть связано с тем, что верхний слой осадков является своеобразной транзитной зоной между окислительной и восстановительной реакциями среды. Установлено, что окислительно-восстановительный потенциал в придонном слое воды (+237 мВ) был в среднем выше, чем в поверхностном слое донных осадков (-115 мВ).
Сопоставление полученных результатов с данными летних исследований выявило, что зимой в подповерхностном горизонте донные осадки имеют более высокие значения рН, чем летом, а в среднем величины БИ донных отложений в холодную часть года практически в два раза ниже, чем в летний период. Скорее всего, это связано с тем, что летом в донных отложениях восстановительные процессы протекают более интенсивно, чем зимой, вследствие чего из донных осадков происходит более существенная эмиссия восстановленных газов, выделяется повышенное количество восстановленных газов (СН4, NH3, Н28), которые при попадании в водную толщу подвергаются химическому и бактериальному окислению, активно расходуя кислород. Зимой эти процессы замедленны, поскольку активность бактерий снижается.
Таким образом, из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
Снежный покров исследуемой области характеризовался кислой и слабокислой реакцией среды. Значения Eh в талом снеге варьируются в довольно широких пределах. Для водной толщи отмечено явление «перевернутого дна». Геохимическая обстановка в донных осадках характеризовалась в основном восстановительными условиями, уменьшением значения БИ с глубиной. В поверхностном слое донных отложений значения рН несколько ниже, чем в подповерхностном.
При сопоставлении полученных результатов с итогами летних исследований выявлено, что значения рН вод в зимний сезон несколько ниже, чем в летний, а БИ водной толщи в среднем выше в зимний период. Для донных осадков наблюдается обратная картина распределения водородного показателя и окислительно-восстановительного потенциала, что связано с особенностями температурного режима, поступления органических веществ и соотношением концентраций кислорода, диоксида углерода и восстановленных газов в водной толще.
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов РФФИ № 06-05-64504 и НШ-4903.2008.5.
Литература
1. Основные результаты экспедиционных исследова-
ний на Северной Двине и Двинской губе Белого моря. / Ю.А. Федоров [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2005. № 3. С. 95-100.
2. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э. Ртуть и ее связь с физи-
ко-химическими параметрами воды (на примере рек Севера ЕТР) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2006. № 2. С. 82-89.
Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Доценко И.В. Ртуть в донных отложениях устьевой области Северной Двине и Двинской губы Белого моря // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Спецвыпуск. 2007. С. 31-36. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Доценко И.В. Ртуть в почвах устьевой области р. Северная Двина // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2007. № 6. С. 109-114.
Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под ред. А.Д. Семенова. М., 1977. 354 с.
Воронков П.Н. Формирование химического состава атмосферных вод и влияние его на почвенные рас-
творы и склоновые воды // Труды ГГИ. 1963. Вып. 102. С. 21-50.
Матвеев А.А., Башмаков О.И. Химический состав атмосферных осадков некоторых районов СССР // Гидрохимические материалы. 1966. Т. 42. С. 3-17.
Шевченко В.П. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике. М., 2006.
Метан в водных экосистемах / Ю.А. Федоров [и др.] Ростов н/Д, М., 2007.
Поступила в редакцию
28 мая 2008 г.
