CC BY
33
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
УДК 556.54 (98)
doi 10.18522/1026-2237-2021-3-80-86
МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИОННОГО СТОКА КРУПНЫХ РЕК АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ*
© 2021 г. О.С. Решетняк12
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия, 2Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону, Россия
LONG-TERM VARIABILITY OF THE ION RUNOFF OF LARGE RIVERS IN THE ARCTIC ZONE OF RUSSIA
O.S. Reshetnyak1,2
1Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, 2Hydrochemical Institute, Roshydromet, Rostov-on-Don, Russia
Решетняк Ольга Сергеевна - кандидат географических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия; старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: olgare1@mail.ru
Olga S. Reshetnyak - Candidate of Geography, Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia; Senior Researcher, Hydrochemical Institute, Roshidromet, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: olgarel @mail. ru
Важность исследования ионного стока рек и его изменчивости во времени определяется влиянием стока на прибрежные акватории и взаимосвязью с климатическими изменениями в Арктическом регионе.
Представлены многолетние данные о химическом стоке макрокомпонентов (хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, ионы кальция и магния) на замыкающих створах крупных арктических рек России - Печора, Уса, Енисей, Обь, Пур, Таз, Лена, Яна и Колыма. Расчет объемов и модулей химического стока выполнен на основе многолетней (1980-2018 гг.) гидрологической и гидрохимической информации государственной системы наблюдений Росгидромета.
Показано, что изменение абсолютных значений химического стока согласуется с водностью исследуемых рек, при этом наибольший вклад в ионный сток вносят гидрокарбонаты. Внутригодовое изменение водности рек и стока макрокомпонентов происходит синхронно, что свидетельствует об определяющей роли водного стока в формировании химического стока с водосборов крупных арктических рек.
Сравнение исследуемых рек по показателю модуля химического стока позволило классифицировать их на реки с низким, средним и высоким ионным стоком. Установлено, что максимальный сток макрокомпонентов происходит с водосбора р. Уса, что может быть связано с активными процессами химической денудации и изменениями климата.
Ключевые слова: химический сток, макрокомпоненты, модуль химического стока, арктическая зона, крупные арктические реки, антропогенное воздействие, изменение климата.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-60165.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
Studies of river ion runoff and its temporal variability are important. It affects coastal waters and is interrelated with climatic changes in the Arctic region.
Long-term data on the chemical runoff of macrocomponents (chlorides, sulfates, hydrocarbonates, calcium and magnesium ions) at the outlet sections of large Arctic rivers in Russia - Pechora, Usa, Yenisei, Ob, Pur, Taz, Lena, Yana and Kolyma are given. The values of volumes and modules of chemical runoff were calculated on the basis of long-term (1980-2018) hydrolog-ical and hydrochemical information from the state observation system of Roshydromet.
It is shown that the change in the absolute values of the chemical runoff is consistent with the water inflow. Greatest contribution to the ionic runoff is made by hydrocarbonates. The intra-annual change in the water inflow and the macrocomponents runoff occurs synchronously. There is a decisive role of water runoff in the formation of chemical runofffrom the catchments of large Arctic rivers.
Comparison of the chemical runoff modulus indicator made it possible to classify them into low, medium or high ionic runoff rivers. It was found that the maximum runoff of macrocomponents occurs from the catchment of the Usa river. It is may be due to active processes of chemical denudation and climate change.
Keywords: chemical runoff, macrocomponents, chemical runoff module, Arctic zone, large Arctic rivers, anthropogenic impact, climate change.
Введение
Результаты исследований глобальных климатических изменений показали, что на естественный фон атмосферы Земли в ХХ в. начал накладываться заметный положительный тренд температуры (около 0,6 оС за последние 100 лет), влияние которого не нарушает общий ход природной цикличности климата, но усиливает динамику потепления в теплые периоды и ослабляет падение глобальной температуры в периоды похолодания [1]. Арктический регион является одним из наиболее уязвимых, экосистемы здесь отличаются чрезвычайно высокой чувствительностью к климатическим флуктуациям, и все экологические последствия этих изменений будут проявляться здесь особенно быстро [2].
Одним из важных индикаторов климатических изменений в Арктическом регионе может служить речной сток и его изменчивость. Изучение взаимосвязи речного и химического стока в арктических областях имеет особую важность с точки зрения изучения других природных процессов, таких как изменение состава морских вод прибрежных территорий, повышение температуры многолетнемерз-лых пород, взаимодействие поверхностных и подземных вод в криолитозоне, трансформация элементов в геохимических циклах и т.д. Водный сток арктических рек играет важную роль в гидрологическом режиме Северного Ледовитого океана и присущих береговой зоне процессах. Влияние речного стока распространяется на водный баланс, процессы опреснения, термический и ледовый режим океана и его частей [3].
Особую озабоченность вызывает тот факт, что в результате оттаивания вечной мерзлоты в поверхностные и грунтовые воды возможно попадание загрязняющих веществ и болезнетворных бактерий
(из-за наличия различных захоронений, могильников и т.п.). Также возможна так называемая глобальная вирусная инвазия, связанная с процессами таяния вечной мерзлоты и вероятностью палеови-русного загрязнения подземных вод (а впоследствии и поверхностных) [4]. Это может привести к формированию новой эпидемической обстановки, особенно в районах интенсивного использования населением подземных и поверхностных вод крио-литозоны (зоны вечной мерзлоты) для питьевых целей.
Это обусловливает необходимость проведения масштабных междисциплинарных исследований возможных качественных и количественных изменений водных ресурсов (в том числе и ионного стока) в Арктическом регионе с целью разработки комплекса природоохранных и противоэпидемических мероприятий.
Материалы и методы исследования
Цель настоящего исследования - оценить многолетнюю изменчивость ионного стока крупных рек Арктической зоны России.
В качестве объектов исследования выбраны участки арктических рек на замыкающих створах (или устьевые участки) - р. Печора и её крупный приток р. Уса, в западной части арктической зоны -рр. Енисей, Обь, Пур, Таз, в восточной - рр. Лена, Яна и Колыма.
Исследование проведено на основе многолетней (1980-2018 гг.) гидрологической и гидрохимической информации государственной системы наблюдений Росгидромета. Периодичность гидрохимических наблюдений (и, соответственно, временное разрешение получаемых ежегодных данных) определяется категорией пунктов наблюдений, и для
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
большинства выбранных рек отбор проб осуществлялся в основные фазы водного режима реки, т.е. минимум 7 раз в год (частота отбора проб составляла 7-12 раз в год).
Рассматривая суммарный ионный сток по замыкающему створу реки, т.е. по нижнему створу реки, ограничивающему рассматриваемый бассейн, оценивается сток химических веществ, поступающих в целом с водосборной территории.
На основе данных о концентрациях химических веществ и значениях годового (или месячного) водного стока выполнен расчет химического стока арктических рек (стока растворенных веществ) за определенный временной период. Расчет проводили прямым методом по формуле
[5]:
т
в = ^ ша,
1=1
где G - количество перенесенного вещества за расчетный период, тыс. т; т - число интервалов расчетного периода; - объем стока воды за 1-й интервал расчетного периода, км3; & - средняя концентрация вещества за /-й интервал расчетного периода, мг/дм3.
Использование модуля стока химических веществ (отношение среднегодового объема химического стока к площади водосбора) позволяет сравнивать речные системы с различными объемами водного стока и площадями водосбора.
Результаты исследования и обсуждение
Определяющим фактором в изменчивости химического стока является водный сток. Чем он больше, тем, соответственно, большее количество растворенных веществ может быть вынесено рекой [6]. В данной работе рассматривается сток растворенных химических веществ (сток макрокомпонентов, или ионный сток) без стока взвешенных компонентов в речном стоке.
Водный сток рек в большей мере определяется природно-климатическими условиями. Однако из-за хозяйственной деятельности человека в совокупности с природными факторами сток многих рек за последние десятилетия претерпел существенные изменения.
Среднемноголетние значения водного стока и объемов стока макрокомпонентов с водосборов крупных рек арктической зоны, составляющих ионный сток, приведены в табл. 1. По абсолютным значениям химического стока исследуемые реки можно класси-филировать на реки с низким ионным стоком - это большинство исследуемых рек, и с высоким ионным стоком - рр. Обь, Енисей и Лена, что полностью согласуется с водностью рек.
Наибольший вклад в ионный сток всех изученных рек вносят гидрокарбонаты, составляя от 44 (р. Лена) до 69 % (р. Таз). Второй содоминирующий компонент ионного стока отличается: для рр. Печора и Уса - это ионы магния, рр. Обь и Енисей -ионы кальция и для остальных рек - сульфаты.
Таблица 1
Среднемноголетний водный и ионный сток с водосборов крупных рек Арктической зоны России (1980-2018 гг.) / Average long-term water inflow and ionic runoff from catchments of large rivers in the Arctic zone of Russia (1980-2018)
Река Пункт наблюдении Wctok, км3 Объем химического стока G, тыс. т
Cl- SO42- HCO3- Mg2+ Ca2+
Печора г. Нарьян-Мар 167,3 534, 8 915,5 5784,1 1415,7 367,9
Уса с. Усть-Уса 54,9 287,4 319,1 1384,2 408,8 110,9
Обь г. Салехард 425,4 3223,4 6851,8 36063,2 2576,0
Пур пос. Самбург 26,6 94,4 418,2 735,4 70,6 123,5
Таз пос. Красноселькуп 18,8 65,6 276,1 1639,2 129,6 264,3
Енисей г. Игарка 6921,2 7902,4 40012,9 2876,9 11461,1
Лена с. Кюсюр 8279,7 10122,9 2639,3 8389,6
Яна п. ст. Юбилейная 38,1 181,9 700,0 1543,9 147,1 512,6
Колыма с. Колымское 63,4 440,4 722,3 1836,8 138,3 635,9
Примечание. Цветом выделена качественная характеристика ионного стока по абсолютным значениям: низкий ионный сток; средний ионный сток;
высокии ионныи сток.
ISSN 1026-2237 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ._2021. № 3
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
Во внутригодовой изменчивости химического стока исследуемые реки имеют схожие закономерности. В большинстве случаев для стока макрокомпонентов наблюдается совпадение максимумов кривых водного и химического стока с водосборных площадей арктических рек (рис. 1). В отдельных случаях происходит смещение максимумов
кривых, когда пик химического стока приходится на месяц раньше пика водного стока (рис. 2а) или на месяц позже (рис. 2б). Но, несмотря на такие незначительные смещения, можно говорить о том, что происходит синхронное внутригодовое изменение водного и химического стока крупных арктических рек.
й и о
H о
о
U
о К
ю
<D
ю О
250
200
150
100
50
3000
2500 £
2000
1500
1000
500
й И О H о
s
8 о <и F
s s s
к
(U Ю
О
10 11
12
Водный сток
Сток кальция — А— Сток магния
а/а
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
14,0
12,0
3 10,0
а к о т с
S
о
н дно
и
<и
ю О
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
ж\ * I \ » 7 \ \
i / Л j / V » 1 \ t \ 1
Г 1 1 1 1 V M
1 1 1 1 i J
'А—А
1234 Водный сток
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
5 6 7 8 9 10 11 12
Сток хлоридов _ А— Сток сульфатов
б/b
с
ы
т
<й
к о т с
S
огк с
<и F
и м и
х
<и
ю О
Рис. 1. Внутригодовое изменение водного и химического стока арктических рек при совпадении максимумов кривых (а - р. Пур; б - р. Лена) / Fig. 1. Intra-annual change in the water flow and chemical runoff of Arctic rivers with the coincidence of the maxima of the curves (a - the Pur river; b - the Lena river)
ISSN 1026-2237 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ._2021. № 3
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
25,0 „
и о
20,0 о
о u О
15,0 g н
<4 ri
10,0 g
H-1-1-1-1-1-1-1-1-1-r
123456789 10 11 12
Водный сток
Сток хлоридов Сток сульфатов
а/а
<u >0 ю О
250 200 150 100 50 0
12 3 4 Водный сток
6 7 8 9 10 11 12 ^ Сток кальция — А— Сток магния
б/b
Рис. 2. Внутригодовое изменение водного и химического стока арктических рек при смещении максимумов кривых (а - р. Печора; б - р. Яна) / Fig. 2. Intra-annual change in the water flow and chemical runoff of Arctic rivers with a shift in the maxima of the curves (a - Pechora river; b - Yana river)
Поскольку рассматриваемые реки Арктической зоны России значительно отличаются друг от друга по величине водного стока, длине и площади водосбора, сравнение рек между собой проведено по удельному показателю - модулю химического стока. Среднемноголетние значения модулей стока макрокомпонентов (т/км2 в год) для рек арктической зоны приведены в табл. 2.
По удельным значениям химического стока исследуемые реки уже группируются (классифицируются) по-другому. К рекам с низким ионным стоком относятся Яна и Колыма, к группе со средним - большинство исследуемых рек, а с высоким ионным стоком - только река Уса. Повышен-
ный вынос макрокомпонентов в бассейне р. Уса может быть связан с активными процессами химической денудации.
Потепление климата, отмечающееся в Арктике в настоящее время, потенциально способно усилить химическую денудацию в бассейнах рек, частично или полностью расположенных в пределах многолетней мерзлоты.
Отмечается, что сокращение площади и мощности многолетнемерзлых пород сопровождается ослаблением барьера, препятствующего проникновению поверхностных вод в глубокие горизонты почв и разгрузке более минерализованных подземных вод в речное русло [7].
5
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
Таблица 2
Среднемноголетние значения модулей стока макрокомпонентов с водосборов крупных рек Арктической зоны России (1980-2018 гг.) / Average long-term values of the modules inflow of macrocomponents from the catchments
of large rivers of the Arctic zone of Russia (1980-2018)
Река Пункт наблюдений Площадь водо- | Модуль химического стока макрокомпонентов, т/км2 в год |
сбора, тыс. км2 Cl- SO42- 1 HCO3- Mg2+ Ca2+
Печора г. Нарьян-Мар 312,0 1,71 2,93 18,5 1,18
Уса с. Усть-Уса 75,1 3,83 4,25 18,4 5,44 1,48
Обь г. Салехард 2 340 1,10 1 2,30 12,2 0,90 2,60
Пур пос. Самбург 80,4 1,00 4,40 7,70 0,70 1,30
Таз пос. Красноселькуп 87,2 0,80 3,20 18,8 1 1,50 3,00
Енисей г. Игарка 2 440 2,80 3,20
Лена с. Кюсюр 2 430 9,60 1,10 3,50
Яна п. ст. Юбилейная 224 080 3д0 6,90 0,70 2,30
Колыма с. Колымское 526 0,80 1,40 3,50 0,30 1,20
Примечание. Цветом выделена качественная характеристика ионного стока по удельным значениям:
_ - низкий ионный сток;
_ - средний ионный сток;
- высокий ионный сток.
Результаты исследования многолетней динамики ионного стока рек бассейна р. Печора показали, что современные изменения климата слабо сказались на интенсивности химической денудации в бассейне р. Печора. В многолетнем аспекте изменения объемов и модулей ионного стока рек либо несущественны, либо по отдельным ионам отмечается их снижение [8].
Заключение
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Формирование ионного стока арктических рек происходит в условиях повсеместного распространения мощного слоя многолетней мерзлоты и с огромных водосборных территорий. Основным фактором, определяющим величину ионного стока, является водность реки.
2. Изменение абсолютных значений химического стока арктических рек полностью согласуется с водностью рек. Основной вклад в ионный сток всех изученных рек вносят гидрокарбонаты. Изменение стока гидрокарбонатов может служить индикатором климатических изменений в Арктическом регионе.
3. Нарушений внутригодовой изменчивости стока макрокомпонентов не выявлено, что может свидетельствовать об отсутствии значительного влияния антропогенного фактора на ионный сток.
4. По показателю модуля химического стока исследуемые реки классифицируются на реки с
низким ионным стоком - рр. Яна и Колыма, средним - рр. Печора, Обь, Пур, Таз и Енисей, с высоким ионным стоком - р. Уса. Повышенный вынос макрокомпонентов с водосбора р. Уса может быть связан с активизацией химической денудации.
Таким образом, изменчивость ионного стока отражает естественные и антропогенные факторы формирования стока воды и содержания химических веществ в речных системах. Изучение сезонной и межгодовой изменчивости химического стока дает интегральное представление о роли хозяйственной деятельности на водосборных территориях, может быть использовано при оценке интенсивности диффузного стока, что особенно актуально для арктического района с повышенной уязвимостью наземных и водных экосистем при интенсивном хозяйственном освоении территории.
Литература
1. Диагностический анализ состояния окружающей среды Арктической зоны Российской Федерации: расширенное резюме / отв. ред. Б.А. Моргунов. M.: Научный мир, 2011. 200 с.
2. IPCC, 2001: Climate change 2001. The Scientific Basis. Contribution for working group 1 to the Third Assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noguer M., van der Linden P.J., Xiaosu D. Cambridge University Press, 944 p.
3. ШикломановИ.А., ШикломановА.И. Изменение климата и динамика притока речных вод в Северный Ледовитый океан // Водные ресурсы. 2003. Т. 30, № 6. С. 645-654.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION NATURAL SCIENCE. 2021. No. 3
4. Эльпинер Л.И., Дзюба А.В. Медико-экологические аспекты деградации зоны многолетней мерзлоты: проблема палеовирусной контаминации // Гигиена и санитария. 2017. № 96 (8). С. 706-711.
5. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. The role of chemical river runoff in the anthropogenic transformation of the state of the aquatic environment in the Enisei mouth area // Water Resources. 2010. Vol. 37, № 4. Р. 471-480.
6. Брызгало В.А., Никаноров А.М., Косменко Л.С., Решетняк О.С. Устьевые экосистемы крупных рек России: антропогенная нагрузка и экологическое состояние. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2015. 164 с.
7. Frey K. E., SiegelD.I, Smith L.C. Geochemistry of west Siberian streams and their potential response to permafrost degradation // Water Resources Research. 2007. Vol. 43, iss. 3. Р. W03406. Doi 10.1029/2006WR004902.
8. Даниленко А.О., РешетнякО.С., Косменко Л.С., Кондакова М.Ю. Изменение интенсивности химической денудации на водосборе Печоры в условиях нестационарного климата и хозяйственной деятельности // Water and Ecology. 2020. № 4 (84). Р. 38-49.
References
1. Diagnostic analysis of the state of the environment in the Arctic zone of the Russian Federation (Extended summary). (2011). B.A. Morgunov (Ed.). Moscow, Nauch-nyi mir Publ., 200 p. (in Russian).
2. 1PCC, 2001: Climate change 2001. The Scientific
Basis. Contribution for working group 1 to the Third Assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noguer M., van der Linden P.J., Xiaosu D. (Eds.). Cambridge University Press, 944 p.
3. Shiklomanov I.A., Shiklomanov A.I. (2003). Climate change and dynamics of river water inflow into the Arctic Ocean. Vodnye resursy, vol. 30, No. 6, pp. 645-654. (in Russian).
4. Elpiner L.I., Dzyuba A.V. (2017). Medical and ecological aspects of the degradation of the permafrost zone: the problem of paleoviral contamination. Gigiena i sani-tariya, vol. 96 (8), pp. 706-711. (in Russian).
5. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. (2010). The role of chemical river runoff in the anthropogenic transformation of the state of the aquatic environment in the Enisei mouth area. Water Resources, vol. 37, No. 4, pp. 471-480.
6. Bryzgalo V.A., Nikanorov A.M., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. (2015). Ecosystems of the mouth areas of the large Russia river: anthropogenic load and ecological state. Rostov-on-Don, Southern Federal University Press, 164 p. (in Russian).
7. Frey K.E., Siegel D.I., Smith L.C. (2007). Geochemistry of west Siberian streams and their potential response to permafrost degradation. Water Resources Research, vol. 43, iss. 3, P. W03406. Doi 10.1029/2006WR004902.
8. Danilenko A.O., Reshetnyak O.S., Kosmenko L.S., Kondakova M.Yu. (2020). Changes in the intensity of chemical denudation in the Pechora catchment under conditions of a non-stationary climate and economic activity. Water and Ecology, No. 4 (84), pp. 38-49. (in Russian).
Поступила в редакцию /Received_17 июня 2021 г. / June 17, 2021
