Гидрологические и гидрохимические особенности озер Большеземельской тундры

Район исследования

Рис. 1. Схема бассейна реки Печоры с месторасположением исследуемых станций на водосборах рек (Ортина F3, Нерута F4, Колва F7 и Море-Ю F8)

Изучением экосистемы бассейна Печоры занимается много ученых, однако их действия не скоординированы, что приводит, с одной стороны, к дублированию ряда работ, напрасной и неэффективной трате денег, а с другой – к отсутствию системных комплексных данных, способных установить причинно-следственные связи происходящих изменений.

Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук (ИППЭС КНЦ РАН) участвовал в проведении международного проекта ICA2-CT-2000-10018 "Устойчивое развитие Печорского региона в изменяющихся условиях природы и общества (SPICE)", финансируемого Программой INCO-COPERNICUS-2 из средств 5-ой Программы Европейской Комиссии. В ходе проекта были проведены экспедиционные исследования на 8 участках бассейна реки Печоры ( Kuhry et al ., 2003).

В данной работе представлены результаты исследований водоемов на водосборах 4 рек Большеземельской тундры: F3 (р. Ортина), F4 (р. Нерута), F7 (р. Колва), F8 (р. Море-Ю) (рис. 1).

Цель работы – оценить геоэкологическое состояние озер Большеземельской тундры по результатам исследования химического состава воды.

• 2.    Район исследований и его физико-географические особенности. Гидрологические особенности озер

Река Печора делит северо-восточные тундры на 2 неравные части: западную, меньшую по площади – Малоземельская, и восточную – Большеземельскую.

В северной части, куда достигали ледники последнего оледенения, спускавшиеся с Новой Земли и Урала, сохранился хорошо выраженный холмисто-грядовый мореный рельеф.

Исследуемая река Нерута (F4) протекает в западной части (Малоземельская тундра). Эта часть представляет собою волнистую тундровую равнину высотой около 50 м над уровнем моря, постепенно понижающуюся к морю. Болотистая низина – "лапта", покрытая бесчисленными мелкими и крупными озерами, незаметно переходит в прибрежное мелководье. Вдали от моря равнина несколько повышается и становится менее заболоченной. Здесь среди песчаной равнины возвышаются дюнные холмы и гряды, между которыми встречаются "яреи" – лишенные растительности котловины выдувания.

Между реками Нерутой и Нижней Печорой среди тундровых равнин возвышается ряд мореных гряд и холмов, достигающих 150-200 м абсолютной высоты, ориентированных большей частью с севера на юг. Реки Седуиха, Танюг, Нерута растекаются от центральных повышенных частей тундры ( Рихтер, Чикишев , 1946).

Рельеф Большеземельской тундры, где протекают другие исследуемые реки (Ортина (F3), Колва (F7) и Море-Ю (F8)), представляет полого холмистую равнину с высотой холмов до 50-60 м и моренные гряды-мусюры, сложенные песками и валунными суглинками ( Сидоров , 1974).

В геологическом строении района принимают участие дочетвертичные и четвертичные отложения. Дочетвертичные породы большей частью скрыты под мощным чехлом четвертичных отложений, на которых формируются озерные котловины. Преимущественное развитие в регионе получили ледниковые отложения, а на севере установлено наличие осадков морского происхождения. Химический состав крупнозернистых ледниковых отложений и морских осадков (илы и глины), насыщавшихся в свое время соленой морской водой, оказывает влияние на формирование современного состава озерных вод ( Голдина , 1972).

Питание поверхностных вод осуществляется преимущественно талыми снеговыми водами (до 75 % стока). Дождевые воды имеют подчиненное значение (15-20 % стока), доля подземных вод составляет 5-10 % либо практически отсутствует. Для всего исследуемого района характерна многолетняя мерзлота. Развитие многолетней мерзлоты препятствует циркуляции подземных вод. Однако при благоприятном сочетании гидрологических условий с характером четвертичных отложений подземные воды, в данном случае надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные, играют важную роль в питании рек (Братцев, 1955; Власова, 1976).

Обилие озер – характерная ландшафтная особенность тундры как природно-климатической зоны, и в частности равнинной территории Большеземельской тундры. Формирование химического состава воды озер Большеземельской тундры обусловлено происхождением их котловин, в связи с чем они подразделяются на ледниковые, пойменные и термокарстовые (табл. 1).

Таблица 1. Происхождение озер Большеземельской тундры

Водосбор	Термокарстовые	Ледниковые	Пойменные
р. Ортина F3	F3-3, F3-6, F3-7		F3-2, F3-5, F3-9
р. Нерута F4	F4-4, F4-5		F4-2
р. Колва F7	F7-3, F7-4	F7-6	F7-5
р. Море-Ю F8	F8-2, F8-3	F8-4, F8-5

Озера, расположенные в пределах холмистого рельефа, имеют ледниковое происхождение и отличаются четко выраженными глубокими котловинами. Крупные системы озер, имеющие ледниковое происхождение, изучались в 60-е гг., когда антропогенное влияние на них практически не сказывалось. Поэтому их гидрохимический режим определялся только природными факторами: климатическими и почвенными условиями, морфологическими параметрами, особенностями питания озер и развитием в них биологических процессов. Соответственно, такие озера характеризуются благоприятным кислородным режимом, незначительной минерализацией, увеличение которой наблюдалось лишь в придонных слоях глубоких озер, и преимущественно гидрокарбонатно-кальциевым составом воды при невысокой цветности и незначительном содержании соединений биогенных элементов ( Хохлова , 2002).

Пойменные озера , образовавшиеся в результате отшнуровывания от русла рукавов и притоков, характеризуются небольшими площадями. Обычно они соединены протоками с рекой, и их режим определяется режимом водотока. Озера Большеземельской тундры, имеющие лагунное происхождение, подвержены влиянию морских вод, что определяет их своеобразный химический состав: щелочную реакцию, высокую минерализацию (3600 мг/л) и хлоридно-натриевый состав воды. Содержание органического вещества высокое и, судя по величине биологического потребления кислорода (БПК 5 = 12.3 мг/л), оно имеет автохтонное происхождение за счет существенного развития в озере биологических процессов ( Хохлова , 2002).

Термокарстовые озера обычно приурочены к плоским водораздельным участкам. Эти озера характеризуются простыми округлыми очертаниями, небольшой глубиной, торфянистыми обрывистыми берегами и торфянистым дном. Сток из термокарстовых озер очень слабый и отмечается только в период весеннего поднятия уровня. Основную часть гидрографической сети Большеземельской тундры составляют термокарстовые озера, химический состав которых весьма разнообразен: минерализация невысокая, содержание органических и биогенных веществ варьирует в широких пределах в зависимости от особенностей питания озера. В водоемах с заболоченными водосборами наблюдалось повышенное содержание меди и марганца ( Хохлова , 2002).

Термокарст развивается за счет вытаивания сингенетических и эпигенетических сегрегационных льдов, растущих и погребённых повторно-жильных и пластовых льдов. В результате образуются озёра (глубиной до 2 м), западины и другие отрицательные формы рельефа, разделённые обычно плоскобугристыми торфяниками высотой 2-4 м. Наиболее крупные термокарстовые озёра, возникающие в торфяниках, имеют размеры до 1 км и более ( Козлов , 2005).

Особенности и различия климата обусловлены расположением Большеземельской тундры на арктическом побережье, большой, более 20°, протяженностью с запада на восток, а также равнинным характером рельефа. Климат исследуемых водосборов формируется преимущественно под воздействием арктических и атлантических воздушных масс. С продвижением вглубь материка и с запада на восток увеличивается его континентальность. Частая смена воздушных масс, перемещение фронтов и связанных с ними циклонов обусловливают неустойчивую погоду. Избыточное увлажнение, обусловленное низким термическим уровнем в сочетании с равнинным рельефом, слабоводопроницаемыми и многолетнемерзлыми грунтами, определяет обилие поверхностных вод, способствует широкому распространению болот.

Разнообразие почвенного покрова тундры оказывает влияние на интенсивность склонового стока, на инфильтрацию осадков, а тем самым – и на условия питания озер.

Химический состав поверхностных вод формируется под воздействием совокупности природных и антропогенных факторов, влияющих на глубину протекания различных процессов в водной толще, донных отложениях и в придонных слоях у поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Среди этих процессов выделяются физические, химические и биологические. В результате их протекания изменяется не только концентрация, но и абсолютное количество химических ингредиентов. Расшифровка и оценка этих процессов необходима для научно обоснованного прогнозирования химического состава природных вод и мероприятий по сохранению качества вод в условиях возрастающего антропогенного воздействия (Моисеенко и др., 1997).

В природных пресноводных экосистемах помимо физических и химических факторов на формирование химического состава поверхностных вод оказывают влияние и биологические, к которым относятся сорбционно-аккумулирующие процессы, протекающие под влиянием гидробионтов. В дополнение к влиянию самих гидробионтов, энзимы и ферменты, выделяемые ими, могут служить катализаторами или ингибиторами физико-химических реакций, протекающих в водной толще и донных отложениях. Жизнедеятельность гидробионтов определяет судьбу элементов, которые затем включаются в состав донных отложений или снова переходят в водную толщу в растворенном состоянии.

Есть трудности в описании и количественной характеристике поведения элементов, поскольку конкретные условия в водных экосистемах варьируют весьма широко по таким ключевым показателям, как величины pH, Eh, жесткость и мутность воды, содержание главных ионов, концентрация и состав органических соединений и т.д. Кроме того, механизм проникновения тех или иных форм металлов в организмы разных представителей фито- и зоопланктона и других водных животных неодинаков.

Антропогенные факторы в геологическом времени стремительно изменяют оболочку Земли, нарушают тысячелетиями складывающиеся природные циклы круговорота веществ. Элементы поступают в озера в составе сточных вод предприятий, поверхностного стока с территории водосбора и непосредственно на поверхность озера. В поверхностных водах элементы находятся в растворимой и нерастворимой формах. Элементы сорбируются на осаждающихся минеральных и органических частицах, а также непосредственно донными отложениями. На территории Большеземельской тундры выделены следующие основные антропогенные факторы: добыча, разведка и транспортировка нефти и газа; водопотребление и водоотведение; аэротехногенное загрязнение; хозяйственно-бытовые и промышленные отходы.

Таблица 2. Основные гидрохимические параметры озер водосбора рек Ортина (F3) и Нерута (F4) в 2000 г.

Станция		F 3-2	F 3-3	F 3-5	F 3-6	F 3-9		F 4-2	F 4-4	F 4-5
pH		6.90	6.79	6.58	6.97	7.32		7.07	6.98	7.24
Электропроводность	мкС/см	16	21	17	33	51		43	43	79
NH 4 +	мкгN/л	29	44	74	60	222		30	96	240
Ca2+	мг/л	1.80	1.90	1.56	3.05	5.56		3.53	4.76	8.12
Mg2+	мг/л	0.43	0.50	0.50	1.12	1.56		1.06	1.06	2.38
Na+	мг/л	0.91	1.48	0.95	2.33	2.61		3.41	2.48	4.77
K+	мг/л	0.20	0.19	0.36	0.27	0.40		0.56	0.42	0.48
Щелочность	мкг экв/л	92	119	95	205	389		258	279	618
SO 4 2-	мг/л	0.98	0.70	0.63	0.50	2.52		0.77	0.65	1.54
NO 3 -	мкгN/л	1	1	1	1	1		1	1	1
Cl-	мг/л	1.47	1.67	1.32	3.14	2.95		4.37	3.70	6.75
N я общ	мкгN/л	293	361	343	374	499		321	508	632
PO 4 3-	мкгP/л	1	1	6	4	11		3	14	27
P. P фил.	мкг/л	4	5	13	12	19		11	25	35
P нефил.	мкг/л	16	21	34	24	54		27	56	97
Цветность	º	26	25	35	52	53		33	54	46
ХПК Mn	мг/л	5.44	6.44	6.96	9.12	9.24		7.26	9.26	6.88
Si	мг/л	0.05	0.18	0.18	0.09	1.27		0.28	0.16	1.69
Al	мкг/л	37	86	76	59	200		26	85	125
Fe	мкг/л	260	200	540	370	530		440	760	1530
Cu	мкг/л	1.0	0.8	1.0	0.8	1.3		1.1	1.0	1.8
Ni	мкг/л	0.5	0.3	0.5	0.6	1.5		<0.2	<0.2	1.0
Co	мкг/л	<0.2	<0.2	<0.2	<0.2	<0.2		<0.2	<0.2	0.3
Zn	мкг/л	2.8	2.9	4.5	0.9	1.2		0.7	0.9	4.3
Mn	мкг/л	5.7	9.2	13.5	7.2	25		15	20	75
Sr	мкг/л	7	9	7	13	32		14	16	32
Pb	мкг/л	<0.5	<0.5	<0.5	<0.5	<0.5		<0.5	<0.5	<0.5
Cr	мкг/л	0.1	0.1	0.2	0.3	0.4		0.1	0.2	0.3
Cd	мкг/л	<0.05	<0.05	<0.05	0.05	0.06		0.06	0.08	0.08
As	мкг/л	0.6	0.9	0.9	1.0	2.0		2.0	2.5	3.5

Таблица 3. Основные гидрохимические параметры озер водосбора рек Колвы (F7) и Море-Ю (F8) в 2001 г.

Станция		F7-3	F7-4	F7-5	F7-6		F8-2	F8-3	F8-4	F8-5
pH		5.73	5.14	7.40	7.13		6.36	6.20	6.71	6.46
Электропроводность	мкС/см	18	15	116	62		16	12	30	22
NH 4 +	мкгN/л	140	330	40	41		34	62	1	38
Ca2+	мг/л	2	1.11	15.6	8.82		1.18	0.78	3.67	2.33
Mg2+	мг/л	0.48	0.29	4.19	1.76		0.45	0.32	0.93	0.53
Na+	мг/л	0.92	0.88	1.93	1.65		1.09	0.71	1.11	1.07
K+	мг/л	0.09	0.14	0.77	0.14		0.32	0.26	0.23	0.18
Щелочность	мкг экв/л	55	16	1104	533		85	61	229	123
SO 4 2-	мг/л	1.34	1.12	4.19	1.93		0.58	0.58	0.68	0.77
NO 3 -	мкгN/л	4	6	8	2		1	1	1	1
Cl-	мг/л	1.08	1.30	1.82	1.37		1.81	0.85	1.64	1.49
N « общ	мкгN/л	773	1303	326	358		172	259	208	308
PO 4 3-	мкгP/л	24	18	8	5		3	<1	<1	1
P общ.	мкг/л	44	77	26	18		12	14	12	16
Цветность	º	183	139	63	91		17	6	43	46
ХПК Mn	мг/л	25.4	23.5	10.3	12.8		4.5	3.4	8.3	8.4
Si	мг/л	<0.05	<0.05	1.26	1.46		0.11	<0.05	0.75	<0.05
Al	мкг/л	42	100	78	66		23	36	20	44
Fe	мкг/л	270	220	300	190		190	150	180	320
Cu	мкг/л	0.6	0.9	0.9	1.0		0.8	0.6	0.5	0.5
Ni	мкг/л	0.6	0.6	2	1.4		0.9	0.8	1.3	0.9
Co	мкг/л	<0.2	<0.2	<0.2	0.4		0.4	<0.2	<0.2	<0.2
Zn	мкг/л	2	3.8	2.6	2.8		1.7	1	2	0.9
Mn	мкг/л	14	15	14	13		12	9	19	11
Sr	мкг/л	14	7	76	47		10	7	21	13
НП	мкг/л	120	140	160	110		140	140	170	110
Cr	мкг/л	<0.2	0.3	<0.2	0.4		<0.2	<0.2	<0.2	0.3
Cd	мкг/л	<0.05	<0.05	<0.05	<0.05		<0.05	<0.05	<0.05	<0.05

• 3.    Объекты и методы исследования

  ИППЭС КНЦ РАН в 2000-2003 гг. участвовал в проведении исследований по международному проекту "Устойчивое развитие Печорского региона в изменяющихся условиях природы и общества". В рамках этого проекта были проведены экспедиционные исследования на 8 станциях водосбора р. Печоры. Летом 2000 г. проводились исследования на станциях F3 (р. Ортина) и F4 (р. Нерута), а летом 2001 г. проводились на станциях F7 (р. Колва) и F8 (р. Море-Ю) (рис. 1).

• 4.    Гидрохимия озер

  Минерализация воды исследуемых озер была довольно низкая – от 6 до 96 мг/л. Наименьшей минерализацией характеризуются термокарстовые озера – до 6-11 мг/л, затем ледниковые озера – 1448 мг/л, в пойменных озерах минерализация доходит до 96 мг/л (рис. 2). Термокарстовые озера характеризуются также и минимальными значениями pH – 5.14-6.36. В ледниковых и пойменных озерах значения pH близки к нейтральным – от 6.46 до 7.40 (рис. 2). Значения pH в воде исследуемых озер, как во всех природных водах, зависят от содержания различных форм угольной кислоты, главным образом от гидрокарбонат-иона. В природной воде ионы HCO 3 ^- образуются в больших количествах в результате диссоциации гидрокарбонатов Ca(HCO 3 ) 2 и Mg(HCO 3 ) 2 , которые, увеличивая концентрацию HCO 3 ^-, ведут к уменьшению концентрации H⁺, увеличению pH в сторону щелочной реакции, т.е. появлению ионов OH^- ( Никаноров , 2001). Подобная картина характерна и для воды исследуемых озер – с увеличением содержания гидрокарбонат-иона происходит рост значений pH (рис. 3). В воде исследуемых озер отмечена также четкая зависимость pH от минерализации (рис. 3). Более низкоминерализованные воды термокарстовых озер обладают и более низкими величинами pH.

Пробы воды из исследуемых водоемов отбирались стандартными методами объемом 1 л пластмассовым батометром на глубине 1 м в полиэтиленовые бутылки (для определения содержания главных ионов и металлов) и стеклянные бутылки (для углеводородов). Аналитическая программа включала в себя измерения рН, электропроводности, щелочности, главных ионов, азотной и фосфатной групп, тяжелых металлов, нефтепродуктов. Основные результаты гидрохимических исследований водных объектов Большеземельской тундры представлены в табл. 2 и 3.

Содержание главных ионов в воде исследуемых озер было также довольно низким, что характерно для тундровых озер. Содержание Ca2+ было от 0.78 до 15.6, Na+ от 0.71 до 1.93, Mg2+ от 0.29

до 4.19, K⁺ от 0.09 до 0.77. Была отмечена следующая убывающая последовательность концентраций основных катионов: Ca²⁺>Na⁺ ≥ Mg²⁺>K⁺ (рис. 4). Среди анионов превалировал гидрокарбонат-ион, определяющий щелочность вод: HCO₃^->SO₄^2->Cl^- (рис. 4). Термокарстовые озера имеют минимальные содержания практически всех главных ионов, за исключением Cl^- и Na⁺, что, вероятно, связано с влиянием морских аэрозолей, содержащих повышенные концентрации поваренной соли.

Рис. 2. Средние величины минерализации и pH воды термокарстовых, пойменных и ледниковых озер Большеземельской тундры

-

Рис. 4. Средние содержания главных ионов (в мг/л) в воде термокарстовых, пойменных и ледниковых озер Большеземельской тундры

Цветность

Рис. 5. Средние концентрации общего азота (Nобщ) и фосфора (Pобщ), Fe, Al (мкг/г), перманганатной окисляемости (мг/л), цветность (Ptº) в воде исследованных станций. Горизонтальные линии – значения ПДК рбхз для Fe и Al

Органическое вещество в воде оценивалось по показателям перманганатной окисляемости и цветности. Содержание органического вещества составляло от 3.4 до 25.4 мг/л. Наиболее высокие концентрации органического вещества и значения цветности вод отмечались в термокарстовых озерах (рис. 5), особенно на водосборе р. Колва – F7-3 (25.4 мг/л и 183 ºPt соответственно) и F7-4 (23.5 мкг/л и 139 ºPt соответственно). Определяющие факторы для распределения данного показателя – термокарстовое происхождение озер, высокая степень заболоченности водосборного бассейна р. Колвы, вследствие преобладания в этих местах торфянистых грунтов.

Содержание NH 4 ⁺, N общ , PO 4 ^3-, P общ , как правило, было максимально в термокарстовых озерах (рис. 5). Концентрация биогенных элементов в исследуемых термокарстовых озерах достигает высокого уровня. Замедленность процессов аммонификации и нитрификации при низких температурах, высокой проточности и кислой реакции среды обуславливает незначительное содержание нитратов, нитритов и аммония в поверхностных водах Большеземельской тундры.

Содержание Fe, Cu, Mn и Al в воде практически всех озер превысило значения предельно допустимых концентраций для воды водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДК_рбхз) (рис. 5). Источниками поступления Fe и Mn могут быть многочисленные болота, расположенные на водоразделе Печоры. Al и Cu могут поступать в озера в результате выветривания четвертичных отложений, т.е. вследствие геохимических особенностей водосборов. Концентрации остальных микроэлементов не превышали величин ПДК рбхз .

Анализы воды на содержание нефтепродуктов показали превышение ПДК рбхз (50 мкг/л) в воде практически всех исследуемых озер (110-170 мкг/л) вследствие проведения работ по разведке и добыче нефти и газа. Необходимо отметить, что высокие концентрации нефтепродуктов наблюдаются далеко от основных источников их поступления – нефтепромыслов и нефтепроводов, находящихся на территории водосборов Усы и Колвы. Нефтепродукты в силу своей гидрофобности не аккумулируются вблизи источников загрязнения, а уносятся вниз по течению на дальние расстояния ( Лукин и др ., 2000).

• 5.    Заключение

Исследованы общие гидрологические и гидрохимические особенности озер Большеземельской тундры. На формирование качества вод исследуемых озер оказывают влияние происхождение озер, низкие среднегодовые температуры воды, большой объем водного стока, невысокие скорости течения, естественное поступление микроэлементов в составе твердого и жидкого стоков с водосборных площадей, следствием чего являются разные уровни концентрации элементов в воде водоемов, расположенных в разных зонах. В формировании поверхностного стока большую роль играют грунтовые воды четвертичных отложений и болотные воды, что обусловливает низкую минерализацию, так как коренные породы мало выщелачиваются, четвертичные отложения сильно перемыты, а почвенный покров очень тонок. Все эти факторы способствуют ослабленному влиянию притоков на процессы загрязнения вод.

Помимо природных факторов, большую роль в формировании химического состава воды и донных отложений приобретает антропогенный фактор, выражающийся в трансформации природного геохимического круговорота элементов в результате человеческой деятельности. Это связано с интенсивностью эксплуатации структур Тимано-Печорского каменноугольного бассейна и Тимано-

Печорской газонефтяной провинции – основных частей промышленной структуры северо-востока Европейской части России. Бассейн Печоры является регионом крупномасштабной разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, в частности Харьягинское нефтяное месторождение (F7) и Василковское газоконденсатное месторождение (F3). Среди загрязняющих веществ выделены приоритетные, влияющие на экологическое состояние водных объектов – тяжелые металлы и нефтепродукты.

Среди антропогенных источников на территории Большеземельской тундры в настоящее время выделяются основные:

• 1)    производственно-технологические отходы бурения (на 1 м³ отходов приходится 68 кг загрязняющих органических веществ);

• 2)    факельные установки и открытое сжигание нефтепродуктов в амбарах и котловинах, сжигание попутного газа, что приводит к поступлению в атмосферу сернистых соединений, тяжелых металлов, органических загрязнителей (главным образом полициклических ароматических углеводородов);

• 3)    резервуары для хранения нефти со специальным подогревом – механическое и химическое воздействие на мерзлые породы; тепловое воздействие может привести к активации опасных криогенных процессов, в первую очередь термокарста;

• 4)    транспорт нефти и аварии на трубопроводах, морских судах, нефтеперерабатывающих заводах приводят к нарушению природной биохимической сбалансированности водных экосистем, нарушению химических циклов и режима их функционирования.

С увеличением объема нефтедобычи и бурения нефтяных скважин создаются новые предприятия, в связи с чем увеличиваются объемы водопотребления и водоотведения. Стоит острая проблема с некачественной очисткой сточных вод. Содержание Fe, Cu, Mn, Al и нефтепродуктов в воде практически всех озер превысило значения ПДК рбхз , что связано с интенсификацией нефтегазовой промышленности на территории Большеземельской тундры.