CC BY
65
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
УДК 504.05 (98) Б01 10.23683/0321-3005-2019-3-70-79
ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ВОД ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ЧАСТИ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ*
© 2019 г. О.С. Решетняк1'2, А.О. Даниленко1, Л.С. Косменко1, М.Ю. Кондакова1
1Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону, Россия, 2Южныф федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия,
TRENDS IN CHEMICAL COMPOSITION VARIABILITY OF RIVER WATERS OF THE WEST SIBERIAN PART OF THE ARCTIC ZONE, RUSSIA
O.S. Reshetnyak1'2, A.O. Danilenko1, L.S. Kosmenko1, M.Yu. Kondakova1
1Hydrochemical Institute, Rostov-on-Don, Russia, 2Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia,
Решетняк Ольга Сергеевна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, доцент, Гидрохимический институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090; доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Даниленко Алеся Олеговна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Косменко Людмила Семеновна - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Кондакова Мария Юрьевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Olga S. Reshetnyak - Candidate of Geography, Senior Researcher, Associate Professor, Hydrochemical Institute, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia; Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Alesia O. Danilenko - Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Hydrochemical Institute, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: al-danilenko@gmail. com
Lyudmila S. Kosmenko - Candidate of Chemistry, Leading Researcher, Senior Researcher, Hydrochemical Institute, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: l. kosmenko@gidrohim. com
Maria Yu. Kondakova - Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Hydrochemical Institute, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Представлены результаты исследования тенденций изменчивости содержания химических веществ в речных водах Западно-Сибирской части Арктической зоны России. Оценка основных тенденций временной изменчивости содержания химических веществ выполнена на основе сочетания корреляционного и регрессионного методов анализа многолетних гидрохимических данных.
Показано, что среди статистически значимых тенденций для главных ионов и органических веществ преобладают возрастающие, что может быть связано как с антропогенными факторами, так и с активизацией процессов химического выветривания пород в результате последствий глобального изменения климата. В изменчивости концентраций биогенных веществ и нефтепродуктов в реках Западно-Сибирской части Российской Арктики среди обнаруженных тенденций доминируют убывающие тренды. Среди выявленных выше закономерностей исключение составили водотоки бассейна р. Енисей. Многолетняя динамика соединений тяжелых металлов в речных водах носит разнонаправленный характер, что в большей степени обусловлено локальными факторами формирования химического состава воды арктических рек.
Результаты анализа трендов позволили оценить состояние экосистем рек исследуемой части Российской Арктики по степени изменчивости компонентного состава воды и выделить речную экосистему Енисей как самую устойчивую. Экосистемы рек Обь, Правая Хетта, Таз, Советская речка и Седэ-Яха функционируют в пере-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-60165.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
ходном состоянии, а на арктических участках рек Ныда, Полуй, Надым и Пур состояние речных экосистем оценено как нарушенное, и дополнительное антропогенное воздействие может усилить трансформацию химического состава их водной среды и привести к необратимым последствиям.
Ключевые слова: речные экосистемы, Арктическая зона России, тенденции, химический состав, главные ионы, биогенные вещества, органические вещества, тяжелые металлы, состояние экосистем.
The study results of chemical substances variability tendencies in the river waters of the West Siberian part of the Arctic zone of Russia are presented. The assessment of the main trends in the temporal variability of the chemicals concentrations was made on the basis of the combination of correlation and regression analysis methods for long-term hydrochemical data.
It is shown that increasing trends prevail among statistically significant for major ions and organic substances. This may be due to both anthropogenic factors and the intensification of chemical weathering processes as a result of global climate change. Among the detected trends in the variability of concentrations of biogenic substances and petroleum hydrocarbons in the rivers of the West Siberian part of the Russian Arctic, decreasing trends dominate. The watercourses of the Yenisei river basin constituted an exception among the regularities identified above.
The long-term dynamics of concentrations of heavy metal compounds in river waters are multidirectional, that largely due to local factors in the formation of the chemical composition of the water of arctic rivers.
The trend analysis' results allowed assessing the state of the river ecosystems of the studied part of the Russian Arctic by the degree of variability of the water composition and identify the Yenisei river ecosystem as the most stable. Ecosystems of the Ob, Pravaya Khetta, Taz, Sovetskaya river and Seda-Yakha rivers function in a transitional state. In the arctic parts of the Nyda, Poluy, Nadym and Pur rivers, the condition of river ecosystems is assessed as disturbed and additional anthropogenic impact may enhance the transformation of the chemical composition of their aquatic environment and lead to irreversible consequences.
Keywords: river ecosystems, Arctic zone of Russia, trends, chemical composition, main ions, biogenic substances, organic substances, heavy metals, state of ecosystems.
Введение
Арктическая зона Российской Федерации (АЗ РФ) характеризуется значительной протяженностью с запада на восток, что проявляется в неоднородности различных физико-географических характеристик на водосборах рек. На фоне пространственной изменчивости химического состава воды рек различных арктических секторов неменьший интерес представляет изучение многолетних тенденций содержания в них химических веществ.
Как известно, на формирование химического состава и качество речных вод влияют две большие группы факторов - природные и антропогенные, соотношение которых постепенно меняется. Если несколько десятилетий назад основной вклад составляли природные процессы (выветривание, климатические условия на водосборе, испарение, миграция и др.), то в последнее время антропогенный фактор становится всё более значимым и для отдельных речных водосборов превосходит природные геохимические и биологические процессы.
В большей степени это касается регионов с высокоразвитой промышленностью, таких как Западная Сибирь, которая обладает уникальным природ-но-ресурсным потенциалом и является одним из двенадцати экономических районов России. Здесь развиты следующие отрасли: топливная промышленность, энергетика, черная и цветная металлур-
гия, машиностроение и металлообработка, лесная, деревообрабатывающая промышленность и т.д. В северных территориях региона ведется активное освоение газонефтеносных месторождений, что сопровождается интенсивным антропогенным воздействием на водные объекты Западно-Сибирской части Арктики и приводит к ухудшению качества воды и нарушению состояния речных экосистем
[1-4].
Кроме усиления антропогенного воздействия на формирование химического состава речных вод оказывают влияние и глобальные процессы, в первую очередь изменение климата. Как уже отмечалось ранее [5, 6], изменения температуры воды, водности рек, количества осадков на водосборах могут приводить к трансформации химического состава речных вод. Однако влияние климатических изменений на химический состав воды или, точнее сказать, их проявление в виде повышения температуры воды, трансформации водного стока рек могут нивелировать друг друга. Поэтому оценки последствий этих процессов как основных показателей климатических изменений для природных вод неоднозначны.
Цель настоящего исследования - выявить и охарактеризовать основные тенденции изменения содержания химических веществ в речных водах Западно-Сибирской части АЗ РФ за многолетний период наблюдений. Это позволит в дальнейшем установить причинно-следственные связи измене-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
ния химического состава речных вод АЗ РФ под влиянием природных и антропогенных факторов.
Результаты могут быть в дальнейшем использованы для оценки устойчивости их водных экосистем, вероятности трансформации их состояния, а также прогноза изменения химического состава и качества воды в условиях климатических вариаций.
Материалы и методика исследования
Как уже отмечалось ранее [7], важным этапом анализа многолетних рядов гидрохимических данных является исследование закономерностей трансформации компонентного состава водной среды, т.е. обнаружение и характеристика основной тенденции содержания химических веществ в водной среде, в том числе загрязняющих. Для выявления вероятных многолетних трендов концентраций химических веществ в качестве поискового метода был применен корреляционный анализ (более подробно методика представлена ранее [7]), а затем характер некоторых наиболее тесных связей исследован при помощи диаграмм рассеяния, построенных по среднегодовым значениям концентраций химических веществ.
Корреляционный анализ выявил значительно больше возможных многолетних трендов концентраций по сравнению с регрессионным, так как более чувствителен к направленным изменениям переменных в пределах сравнительно коротких участков временного ряда, охватывающих несколько лет. Вычисленные коэффициенты корреляции, как правило, демонстрируют слабые и умеренные по силе связи, однако отсутствие тесной корреляционной связи не всегда указывает на отсутствие тренда. Чаще низкие значения коэффициента корреляции были связаны с тем, что в течение 30-летнего периода или наблюдалась относительно непродолжительная динамика, или тренд изменил направление.
Статистические расчеты и построение графиков с оценкой уровней доверительной вероятности и параметров линейной регрессии выполнены в пакете прикладных программ БТЛТТБТГСЛ 13.3.
В качестве объектов исследования выбраны реки или их участки в пределах Западной Сибири АЗ РФ: Ныда (п. Ныда), Обь (г. Салехард), Полуй (выше г. Салехарда), Правая Хетта (ниже пгт Пангоды), Таз (с. Красноселькуп, пгт Тазов-ский), Енисей (выше г. Дудинка), Советская речка (п. Советская Речка), Седэ-Яха (г. Новый Уренгой), Пур (п. Самбург, пгт Уренгой), Надым (г. Надым).
Исходные данные - многолетняя (1985-2017 гг.) гидрохимическая информация Государственной наблюдательной сети (ГНС) Росгидромета за со-
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
стоянием и загрязнением окружающей среды в части поверхностных вод суши. Исследование выполнено по таким показателям, как минерализация воды, содержание хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, ионов кальция и магния, азота аммонийного, нитритного и нитратного, фосфатов, органических веществ (ОВ), определяемых по показателям биохимического (БПК5) и химического (ХПК) потребления кислорода, нефтепродуктов (НФ), соединений тяжелых металлов - железа, меди, цинка и марганца.
Результаты и их обсуждение
Основные тенденции изменчивости концентраций главных ионов. Многолетняя динамика концентраций главных ионов в речных водах Западно-Сибирской части Арктики представлена в табл. 1. В целом она характеризуется следующими особенностями:
1) преобладанием трендов над отсутствием направленной динамики для всех главных ионов, кроме гидрокарбонат-ионов;
2) абсолютным доминированием возрастающих тенденций над убывающими по всем показателям и для всех исследуемых рек, кроме Енисея и Советской речки;
3) часто умеренной, а для сульфат-ионов и тесной силой связи между концентрациями химических веществ и датами отбора проб;
4) ростом минерализации природных вод в арктических реках бассейна Оби и Надым-Тазовского междуречья и отсутствием статистически значимых изменений минерализации воды рек бассейна Енисея.
Многолетний тренд ионов магния обнаруживается в большинстве участков рек Западно-Сибирской Арктики. Чаще всего тренд возрастающий, по силе слабый, реже умеренный. На р. Енисей выше г. Дудинка установлена единичная отрицательная слабая по силе связь. Умеренные по силе возрастающие тенденции характерны только для рек Правая Хетта (пгт Панго-ды) и Надым (г. Надым).
Статистически значимые изменения концентр а-ций кальция характерен для более половины участков исследуемых рек, большей частью обнаруживаясь в тех же водных объектах, что и тренд ионов магния. Более половины возрастающих трендов по силе умеренные. Единичная отрицательная умеренная по силе связь установлена для р. Енисей.
Для большей части исследуемых участков рек Западно-Сибирской Арктики выявлен многолетний тренд концентраций хлоридов и в отличие от тенденций в речных экосистемах европейской части [7] является возрастающим с умеренной силой. На Советской речке (приток р. Енисей) установлена еди-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
ничная отрицательная слабая по силе связь, хотя для самого Енисея характерен слабый возрастающий тренд.
Многолетние тенденции концентраций сульфатов также отмечаются в большей части участков
Среди главных ионов многолетний тренд концентраций гидрокарбонатов является менее выраженным и характерен для половины изученных участков рек Западно-Сибирской части Арктики. При этом во всех случаях это возрастающая тенденция слабой силы, за исключением р. Надым, где тенденция прироста концентраций имеет умеренную силу.
Многолетняя динамика минерализации воды в целом синхронна с тенденциями изменения концентраций главных ионов, особенно сульфатов, что свидетельствует о значительном вкладе последних в формирование минерализации воды. Для всех исследованных участков рек, кроме Енисея и Советской речки, временной тренд минерализации статистически значим, возрастает и имеет умеренную силу.
Таким образом, многолетняя динамика содержания главных ионов в речных водах Западно-
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
рек, и все - возрастающие и сильные. Единственный тренд умеренной силы выявлен в воде р. Правая Хетта у пгт Пангоды. Для рек бассейна Енисея отсутствуют статистически значимые изменения концентраций сульфатов.
Сибирской части Арктики характеризуется большим числом возрастающих тенденций. Это может быть обусловлено не только прямым антропогенным влиянием за счет сброса неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод, но и активизацией процессов химического выветривания пород в результате последствий глобального изменения климата: увеличения мощности сезонно-талого слоя, удлинения времени контакта подземных вод с породами, ускорения процессов термоэрозии и др. [8, 9]. Значительный охват территорий однонаправленными процессами говорит об их масштабном (региональном) характере выявленных изменений.
Редкие для арктических речных участков Западной Сибири случаи снижения концентраций главных ионов сосредоточены в пределах бассейна р. Енисей. На основе регрессионного анализа показано, что, несмотря на статистическую значимость многолетней динамики, в абсолютных величинах она незначитель-
Таблица 1
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и концентрациями главных ионов в реках Западно-Сибирской части Арктики / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of main ions in the rivers of the West Siberian Arctic
№ п/п Река Пункт наблюдений Значения коэффициента для ионов
Mg2+ Ca2+ Cl- SO42- HCO3- пионов
1 Ныда п. Ныда 0,23 0,20 0,36 0,57 0,18 0,39
2 Обь г. Салехард 0,14 - - 0,60 - 0,23
3 Полуй Выше г. Салехарда 0,16 0,17 0,32 0,55 0,11 0,34
4 Правая Хетта Ниже пгт Пангоды 0,30 0,33 0,19 0,34 - 0,28
5 Таз с. Красноселькуп - - 0,39 0,59 - 0,20
6 Таз пгт Тазовский - - 0,34 0,61 - 0,22
7 Енисей Выше г. Дудинка -0,31 -0,25 0,18 - - -
8 Советская речка п. Советская Речка 0,14 - -0,40 - 0,12 -
9 Седэ-Яха г. Новый Уренгой 0,22 0,32 - 0,54 - 0,31
10 Пур п. Самбург 0,20 0,26 0,33 0,54 0,24 0,41
11 Пур пгт Уренгой 0,13 0,24 0,35 0,52 0,16 0,30
12 Надым г. Надым 0,27 0,32 0,31 0,53 0,28 0,47
Всего тенденций 10 8 10 10 6 10
из них возрастающих 9 7 9 10 10 10
из них убывающих 1 1 1 0 0 0
Примечание. Статистически значимые тенденции (при р<0,05 и выше) выделены цветом: зеленый цвет означает убывающую тенденцию, розовый - возрастающую; прочерк - отсутствие статистически значимой тенденции.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 3
на. Так, снижение содержания магния в р. Енисей не превышает 0,8 мг/дм3 за 10 лет (рисунок а), кальция -2,7 мг/дм3 за 10 лет, а хлоридов в Советской речке -всего 0,4 мг/дм3 (рисунок б).
Основные тенденции изменчивости концентраций биогенных и органических веществ. Анализ многолетней динамики концентраций биогенных и органических веществ в речных водах Западно-Сибирской части АЗ РФ позволил выделить следующие закономерности (табл. 2):
1) для всех участков рек характерен многолетний убывающий тренд содержания в воде азота аммонийного, для большей части также выявлены мг/дм3
тенденции снижения содержания азота нитратного и нитритного и фосфора фосфатного;
2) общее содержание органического вещества в воде (по ХПК) большинства участков арктических рек Западной Сибири увеличивается со временем за счет роста содержания трудноокисляемых органических веществ (в основном гумусовых веществ) на фоне неопределенности в тенденциях по легко-окисляемым формам;
3) для большинства исследуемых арктических рек характерна динамика снижения содержания в воде нефтепродуктов.
Уравнение линейного тренда: Уравнение линейного тренда:
y = - 0,082x + 167,6 при R2 = 0,37 y = -0,041x + 84,2 при R2 = 0,43
а/а б/b
Вид зависимости концентрации главных ионов во времени: а - ионы магния в воде р. Енисей; б - хлориды в воде Советской речки / Type of dependence of the main ions concentration in time: a - magnesium ions in Yenisei water; b - chlorides in water of Soviet river
Таблица 2
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и концентрациями биогенных и органических веществ в реках Западносибирской части Арктики / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of biogenic and organic substances in the rivers of the West Siberian Arctic
№ п/п Река Пункт наблюдений Значения козе зфициента корреляции
NH4+ NO3- NO2- PO43- ОВ по НФ
БПК5 ХПК
1 Ныда п. Ныда -0,17 -0,11 -0,22 -0,23 - 0,16 -
2 Обь г. Салехард -0,27 - - -0,28 - 0,16 -0,25
3 Полуй Выше г. Салехарда -0,16 - - -0,10 -0,20 0,10 -0,18
4 Правая Хетта Ниже пгт Пангоды -0,32 0,13 - -0,38 м.д. - -0,36
5 Таз с. Красноселькуп -0,26 -0,13 -0,31 -0,20 - 0,24 -
6 Таз пгт Тазовский -0,31 -0,11 -0,20 -0,18 м.д. 0,10 -
7 Енисей Выше г. Дудинка -0,16 -0,23 - -0,26 - - -0,39
8 Советская речка п. Советская Речка -0,41 -0,13 -0,13 - -0,10 - -0,25
9 Седэ-Яха г. Новый Уренгой -0,18 - - -0,25 м.д. 0,20 -0,12
10 Пур п. Самбург -0,23 -0,13 -0,28 -0,22 м.д. 0,19 -0,19
11 Пур пгт Уренгой -0,20 -0,19 -0,24 -0,14 м.д. 0,11 -
12 Надым г. Надым -0,19 -0,29 -0,28 -0,26 - 0,13 -
Всего тенденций 12 9 7 11 2 9 7
из них возрастающих 0 1 0 0 0 9 0
из них убывающих 12 8 7 11 2 0 7
Примечание. Статистически значимые тенденции (при р<0,05 и выше) выделены цветом: зеленый цвет означает убывающую тенденцию, розовый - возрастающую; прочерк - отсутствие статистически значимой тенденции; м.д. - мало данных.
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2019. № 3
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
Убывающие многолетние тренды содержания азота аммонийного, обнаруженные во всех объектах Западной Сибири, характеризуются слабой (реки Полуй, Енисей, Ныда, Седэ-Яха, Пур и Надым) или умеренной (реки Обь, Таз, Правая Хетта, Советская речка) силой.
Многолетние тенденции снижения концентраций азота нитритного и нитратного также характеризуются слабой или умеренной силой. Исключением стал участок р. Правая Хетта у пгт Пангоды, где выявлена возрастающая динамика в изменении содержания азота нитратного (табл. 2).
Почти для всех речных участков ЗападноСибирской части Арктики характерны убывающие многолетние тренды содержания фосфатов слабой или умеренной силы (за исключением Советской речки, где статистически значимая тенденция не обнаружена).
Наблюдения за содержанием легкоокисляемого органического вещества (по БПК5) нерегулярны, и ряды характеризуются значительными пробелами, поэтому нет возможности корректно говорить о наличии или отсутствии направленной динамики в целом для участков рек на территории ЗападноСибирской Арктики.
Многолетние тренды изменения содержания общего органического вещества (по ХПК) встречаются в большинстве исследованных участков рек, все возрастающие и имеют слабую силу. Отличаются также участки рек бассейна Енисея (Енисей и Советская речка) и р. Правая Хетта, для которых характерно отсутствие статистически значимой тенденции.
Тенденции изменения концентрации нефтепродуктов в воде обнаружены более чем в половине случаях, при этом все тренды убывающие, по силе связи - слабые (Полуй, Пур и Седэ-Яха) или умеренные (Енисей, Советская речка, Правая Хетта и Обь).
Таким образом, многолетняя динамика содержания биогенных веществ и нефтепродуктов в речных водах Западно-Сибирской части Арктики отличается большим числом тенденций снижения их концентраций. Такая динамика может являться результатом действия целого комплекса факторов и причин: уменьшения антропогенной нагрузки по данным компонентам, усиления ассимиляции биогенных элементов водной растительностью в результате более благоприятных климатических условий для вегетации, а также за счет роста числа осадков на территории Западной Сибири (за период 1976-2014 гг. оно составило 30 мм/10 лет [10]) и, как следствие, возросшего водного стока и разбавляющей способности рек.
По содержанию органического вещества, напротив, наблюдается возрастающая изменчивость для большинства речных экосистем. Здесь, скорее всего, определяющим фактором является не увеличение водности рек, а усиление процессов протаива-ния многолетнемерзлых пород, вымывания органических веществ (в том числе гумусовых) из верхних почвенных горизонтов и других явлений [810], активизация которых происходит в связи с климатическими изменениями на водосборах арктических рек. Значительный охват территорий Западной Сибири однонаправленными процессами изменения содержания биогенных и органических веществ в речных водах также говорит о региональном характере их причин, т.е. влиянии общих природных или антропогенных факторов.
Основные тенденции изменчивости концентраций соединений тяжелых металлов. Характеристики основных трендов концентраций соединений металлов на территории Западно-Сибирской Арктики представлены в табл. 3. Анализ данных таблицы позволил выделить следующие особенности:
1) статистически значимые тренды имеют разнонаправленный характер: концентрации соединений железа и меди демонстрируют преимущественно отрицательные статистически значимые тренды слабой и умеренной силы; выявленные тенденции для соединений марганца только возрастающие; для содержания соединений цинка в воде характерна и возрастающая, и убывающая временная изменчивость;
2) для р. Енисей не обнаружено ни одной статистически значимой тенденции изменения содержания соединений металлов за весь период наблюдений, что может косвенно свидетельствовать о стабильности их концентраций во времени.
Более чем для половины речных участков характерны многолетние убывающие тренды концентраций соединений железа, в основном слабые по силе. Единственный возрастающий тренд концентраций железа тоже слабой силы выявлен на участке р. Пур у г. Уренгоя.
Статистически значимые убывающие тенденции в изменчивости концентраций соединений меди встречаются для всех исследуемых речных участков на территории Западно-Сибирской части Арктики, за исключением Енисея и Правой Хетты. Сила корреляционной связи умеренная или слабая (табл. 3).
Многолетние тренды концентраций соединений цинка также выявлены во всех водных объектах, кроме тех же участков рек Енисей и Правая Хетта, но в отличие от динамики предыдущих показателей здесь встречаются и возрастающие, и убывающие тенденции слабой, реже умеренной силы.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
Таблица 3
Значения рангового коэффициента корреляции Кендалла между датами отбора проб и концентрациями соединений тяжелых металлов в реках Западно-Сибирской части Арктики / Kendall rank correlation coefficient values between sampling dates and concentrations of heavy metal compounds in the rivers of the West Siberian Arctic
№ п/п Река Пункт наблюдений Значения коэфе эициента для соединений
Fe Cu Zn Mn
1 Ныда п. Ныда - -0,27 0,16 м.д.
2 Обь г. Салехард -0,10 -0,19 0,19 -
3 Полуй Выше г. Салехарда - -0,18 0,31 0,15
4 Правая Хетта Ниже пгт Пангоды -0,14 - - м.д.
5 Таз с. Красноселькуп -0,15 -0,29 -0,15 0,21
6 Таз пгт Тазовский -0,10 -0,35 -0,43 0,24
7 Енисей Выше г. Дудинка - - - -
8 Советская речка п. Советская Речка -0,23 -0,14 -0,25 -
9 Седэ-Яха г. Новый Уренгой -0,26 -0,34 -0,18 -
10 Пур п. Самбург - -0,12 0,17 0,26
11 Пур пгт Уренгой 0,11 -0,34 0,18 0,27
12 Надым г. Надым - -0,28 0,16 0,32
Всего тенденций 7 10 10 6
из них возрастающих 1 0 6 6
из них убывающих 6 10 4 0
Примечание: статистически значимые тенденции (при р<0,05 и выше) выделены цветом: зеленый цвет означает убывающую тенденцию, розовый - возрастающую; прочерк - отсутствие статистически значимой тенденции; м.д. - мало данных.
Наблюдения за содержанием соединений марганца нерегулярны, что также не дает нам возможности судить о полной картине динамики концентраций этого металла. Для всех случаев, когда присутствуют многолетние тренды концентраций соединений марганца, все они возрастающие и имеют слабую или умеренную силу (табл. 3).
Таким образом, многолетняя динамика соединений тяжелых металлов в речных водах ЗападноСибирской Арктики носит разнонаправленный характер и в большей степени обусловлена локальными факторами формирования химического состава воды рек.
Тенденции изменчивости водного стока рек Западно-Сибирской части Арктики. Выявленные закономерности и направленность тенденций химического состава рек Западно-Сибирской части Арктики в большей степени носят региональный характер и обусловлены общими факторами. Исключение составили участки рек бассейна Енисея (Советская речка и Енисей), которые выделяются по изменчивости не только химического состава, но и водного стока.
На фоне происходящего с конца 1970-х гг. потепления климата на территории арктического бассейна
выделяют только один регион, где наблюдалось снижение годового стока рек - это бассейн Верхней Оби и Верхнего Енисея [11]. В целом, согласно данным оценочного доклада [12], годовой сток крупных рек бассейна Северного Ледовитого океана вырос на 815 %. Отмеченные тренды в изменениях годового стока рек не являются устойчивыми. В работе [11] показано отсутствие значимых трендов годового стока для крупнейших рек арктического бассейна (Обь, Енисей, Лена, Яна, Индигирка, Колыма), а результаты статистических расчетов свидетельствуют о том, что пока происходящие изменения находятся в пределах естественной изменчивости.
Для количественной оценки трендов временной изменчивости водного стока исследуемых арктических рек за многолетний период рассчитан ранговый коэффициент корреляции Кендалла и определены уравнения линейной регрессии. Использованы многолетние гидрологические данные с официального сайта A Regional, Electronic, Hydrographie Data Network For the Arctic Region (R-ArcticNET Abstract and Background, URL: http://www.r-arcticnet.sr.unh. edu/v4.0/index.htm).
Результаты статистической обработки данных о водном стоке представлены в табл. 4. Для боль-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
шинства рек Западно-Сибирской части Арктики выявлено отсутствие статистически значимой тенденции изменения водности во времени. Только
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
для р. Енисей статистически подтверждается увеличение водного стока за многолетний период (табл. 4).
Таблица 4
Характеристики временных трендов водного стока рек Западно-Сибирской части Арктики / Characteristic of the temporal trends of the water runoff in the rivers of the West Siberian Arctic
Река, пункт наблюдений Период наблюдений Уравнение линейной регрессии W=F(Y) R2 Коэффициент корреляции
Таз, пос. Сидоровск 1962-2000 W = 33,975-0,0335*Y 0,007 -0,057
Полуй, с. Полуй 1954-2000 W = 4,1095+0,0015*Y 0,016 -0,012
Енисей, г. Игарка 1953-2016 W = 550,3201+1,0956*Y 0,142 0,314
Пур, пос. Самбург 1953-2000 W = 28,0684+0,0004*Y 0,000003 0,042
Надым, г. Надым 1955-2000 W = 14,6183-0,0077*Y 0,001 -0,036
Обь, г. Салехард 1953-2016 W = 380,7467+0,6053*Y 0,035 0,096
Примечание. Приведены ранговые коэффициенты корреляции при р<0,05 и выделены цветом: серый цвет означает возрастающую тенденцию, отсутствие цвета - отсутствие тренда; Ш - водный сток, км3; У(уеаг) - год.
Классификация речных экосистем ЗападноСибирской части Арктики. Как видно из данных табл. 1-3, для разных участков рек выявлено разное количество статистически значимых тенденций изменения химического состава воды разной направленности. Очевидно, что чем больше показателей имеют направленную тенденцию во времени, тем менее устойчивой будет абиотическая составляющая речной экосистемы. По доле параметров, имеющих тренды за многолетний период, можно классифицировать речные экосистемы на здоровые - это такие экосистемы, для которых тренды имеют менее 50 % показателей, нарушенные - более 75 %, переходные - от 50 до 75 % показателей с трендами [13].
Анализ выявленных тенденций химического состава речных вод за многолетний период позволил сгруппировать речные экосистемы ЗападноСибирской части Арктики по доле показателей, характеризующихся наличием трендов:
1) здоровые - менее 50 % трендов характерно только для участка реки Енисей;
2) переходные экосистемы, в химическом составе воды которых обладают трендами от 50 до 75 % показателей, - это участки рек Обь, Правая Хетта, Таз, Советская речка и Седэ-Яха;
3) нарушенные - свыше 75 % гидрохимических показателей имеют значимый тренд, что характерно для обоих участков реки Пур и для рек Ныда, Полуй и Надым.
Таким образом, для исследуемой части Российской Арктики выделяется речная экосистема Енисей как наиболее устойчивая по изменчивости компо-
нентного состава. Половина исследуемых экосистем (Обь, Правая Хетта, Таз, Советская речка и Седэ-Яха) функционирует в переходном состоянии. Состояние же экосистем на участках рек Ныда, Полуй, Надым и Пур вызывает особую озабоченность, поскольку является менее устойчивым и оценивается как нарушенное, а дополнительное антропогенное воздействие может усилить трансформацию химического состава их водной среды и привести к необратимым последствиям.
Заключение
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы об основных тенденциях содержания химических веществ в речных водах Западно-Сибирской части АЗ РФ:
1. Многолетняя динамика содержания главных ионов характеризуется большим числом возрастающих тенденций, что может быть связано как с прямым антропогенным влиянием, так и с активизацией процессов химического выветривания пород в результате последствий глобального изменения климата. Значительный охват участков рек однонаправленными процессами говорит о региональном характере выявленных изменений.
2. Многолетняя динамика содержания биогенных веществ и нефтепродуктов, напротив, отличается большим числом убывающих тенденций, что свидетельствует о снижении биогенной нагрузки на водосборах и уменьшении аварийных ситуаций на реках.
3. Возрастание содержания общего органического вещества наблюдается в большинстве исследуе-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 3
мых речных экосистем, что может быть связано с природно-климатическими изменениями в регионе.
4. Многолетняя динамика соединений тяжелых металлов в речных водах Западно-Сибирской Арктики носит разнонаправленный характер. Однозначно причины этого установить не представляется возможным, но стоит отметить, что это может быть вызвано совместным воздействием различных природных и антропогенных факторов.
5. Исключение из всех выявленных закономерностей составили река Енисей и её приток Советская речка, что может быть связано как с разницей в уровне антропогенной нагрузки, так и с отличием в изменениях водности этих рек по сравнению с исследуемыми водотоками Западно-Сибирской части Арктики.
Литература
1. Никаноров А.М., Брызгало В.А., Косменко Л.С., Решетняк О.С. Роль химического речного стока в антропогенной трансформации состояния водной среды Енисейской устьевой области // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 4. С. 434-444.
2. Решетняк О.С., Брызгало В.А., Косменко Л.С. Региональные особенности высокого уровня загрязненности рек Обь-Иртышского бассейна // Вода: химия и экология. 2013. № 6. С. 3-9.
3. Никаноров А.М., Брызгало ВА., Косменко Л.С., Даниленко А.О. Реки материковой части Российской Арктики. Ростов н/Д.: Изд-во Южн. фед. ун-та, 2016. 276 с.
4. Решетняк О.С., Кондакова М.Ю., Даниленко А.О., КосменкоЛ.С., МининаЛ.И. Пространственно-временная изменчивость степени загрязненности воды и состояния речных экосистем различных широтных зон Сибири // Вода: химия и экология. 2019. № 1. С. 126-137.
5. Моисеенко Т.И., Гашкина Н.А. Формирование химического состава вод озёр в условиях изменения окружающей среды. М.: Наука, 2010. 268 с.
6. Диагностический анализ состояния окружающей среды Арктической зоны Российской Федерации / отв. ред. Б.А. Моргунов. M.: Научный мир, 2011. 200 с.
7. Решетняк О.С., Кондакова М.Ю., Даниленко А.О., Косменко Л.С., Решетняк В.Н. Тенденции изменчивости химического состава речных вод европейской части Арктической зоны России // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2019. № 1. С. 86-94.
8. Кукушкин С.Ю. Индикатор антропогенной нагрузки на природно-территориальные комплексы при освоении нефтегазоконденсатных месторождений севера Западной Сибири: дис. ... канд. геогр. наук. СПб.: СПбГУ, 2016. 200 с.
9. Weiss N., Kaal J. Characterization of labile organic matter in Pleistocene permafrost (NE Siberia), using Thermally assisted Hydrolysis and Methylation (THM-GC MS) // Soil Biology and Biochemistry. 2018. Vol. 117. P. 203-213.
10. Джамалов Р.Г., Сафронова Т.И. Влияние мно-голетнемерзлых пород на формирование водных ресурсов Восточной Сибири (на примере отдельных рек Восточной Сибири) // Водные ресурсы. 2018. Т. 4, № 4. С. 341-352.
11. Водные ресурсы России и их использование / под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: Гос. гидрол. ин-т, 2008. 600 с.
12. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории РФ. М.: Росгидромет, 2008. 89 с.
13. DobieszN.E., BeckyR.E., Johnson T.B., Sarvala J., Dettmers J.M., Lehtiniemi M., Rudstam L.G., Madenjian C.P., Witte F. Metrics of ecosystem status for large aquatic systems. A global comparison // J. of Great Lakes Research. 2010. № 36. P. 123-138.
References
1. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Reshetnyak O.S. Rol' khimicheskogo rechnogo stoka v antropogennoi transformatsii sostoyaniya vodnoi sredy Eniseiskoi ust'evoi oblasti [The role of chemical river flow in the anthropogenic transformation of the water environment of the Yenisei estuary]. Vodnye resursy. 2010, vol. 37, No. 4, pp. 434-444.
2. Reshetnyak O.S., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S. Regional'nye osobennosti vysokogo urovnya zagryaznen-nosti rek Ob'-Irtyshskogo basseina [Regional features of high level of pollution of rivers of the Ob-Irtysh basin]. Voda: khimiya i ekologiya. 2013, No. 6, pp. 3-9.
3. Nikanorov A.M., Bryzgalo V.A., Kosmenko L.S., Danilenko A.O. Reki materikovoi chasti Rossiiskoi Arktiki [Rivers of the Russian Arctic mainland]. Rostov-on-Don: Izd-vo Yuzhn. fed. un-ta, 2016, 276 p.
4. Reshetnyak O.S., Kondakova M.Yu., Danilenko A.O., Kosmenko L.S., Minina L.I. Prostranstvenno-vremennaya izmenchivost' stepeni zagryaznennosti vody i sostoyaniya rechnykh ekosistem razlichnykh shirotnykh zon Sibiri [Spatio-temporal variability of the degree of water pollution and the state of river ecosystems of different latitudinal zones of Siberia]. Voda: khimiya i ekologiya. 2019, No. 1, pp. 126-137.
5. Moiseenko T.I., Gashkina N.A. Formirovanie khimicheskogo sostava vod ozer v usloviyakh izmeneniya okruzhayushchei sredy [Formation of the chemical composition of lake waters in the changing environment]. Moscow: Nauka, 2010, 268 p.
6. Diagnosticheskii analiz sostoyaniya okruzhayush-chei sredy Arkticheskoi zony Rossiiskoi Federatsii [Diagnostic analysis of the environment of the Arctic zone of the Russian Federation]. B.A. Morgunov (ed.). Moscow: Nauchnyi mir, 2011, 200 p.
7. Reshetnyak O.S., Kondakova M.Yu., Danilenko A.O., Kosmenko L.S., Reshetnyak V.N. Tendentsii iz-menchivosti khimicheskogo sostava rechnykh vod evro-peiskoi chasti Arkticheskoi zony Rossii [Trends of variability of chemical composition of river waters of the Eu-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 3
ropean part of the Arctic zone of Russia]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2019, No. 1, pp. 86-94.
8. Kukushkin S.Yu. Indikator antropogennoi nagruzki na prirodno-territorial'nye kompleksy pri osvoenii neftegazokondensatnykh mestorozhdenii severa Zapadnoi Sibiri: dis. ... kand. geogr. nauk [Indicator of anthropogenic load on natural-territorial complexes in the development of oil and gas condensate fields in the North of Western Siberia]. Saint Petersburg: SpbGU, 2016, 200 p.
9. Weiss N., Kaal J. Characterization of labile organic matter in Pleistocene permafrost (NE Siberia), using Thermally assisted Hydrolysis and Methylation (THM-GC MS). Soil Biology and Biochemistry. 2018, vol. 117, pp. 203-213.
10. Dzhamalov R.G., Safronova T.I. Vliyanie mnogo-letnemerzlykh porod na formirovanie vodnykh resursov Vostochnoi Sibiri (na primere otdel'nykh rek Vostochnoi
Sibiri) [Influence of permafrost on the formation of water resources in Eastern Siberia (on the example of some rivers in Eastern Siberia)]. Vodnye resursy. 2018, vol. 4, No. 4, pp. 341-352.
11. Vodnye resursy Rossii i ikh ispol'zovanie [Water resources of Russia and their use]. I.A. Shiklomanov (ed.). Saint Pteresburg: Gos. gidrol. in-t, 2008, 600 p.
12. Otsenochnyi doklad ob izmeneniyakh klimata i ikh posledstviyakh na territorii RF [Assessment report on climate change and its consequences on the territory of the Russian Federation]. Moscow: Rosgidromet, 2008, 89 p.
13. Dobiesz N.E., Hecky R.E., Johnson T.B., Sarvala J., Dettmers J.M., Lehtiniemi M., Rudstam L.G., Maden-jian C.P., Witte F. Metrics of ecosystem status for large aquatic systems. A global comparison. J. of Great Lakes Research. 2010, No. 36, pp. 123-138.
Поступила в редакцию /Received
21 июля 2019 г. / July 21, 2019
