Реки Арктики относятся к одним из самых нетронутых экосистем по всему миру. Несмотря на это, они находятся под угрозой глобального и регионального антропогенного воздействия [1]. Познание причин и последствий климатических изменений в Арктике все еще ограничено отсутствием данных относительно гидрологических характеристик водных бассейнов [1]. В этих условиях освоение природных ресурсов Арктики должно происходить как с учетом экономических интересов страны, так и особым подходом к уникальной природной среде [2]. Кроме того, глобальное потепление увеличивает проблемы, связанные с гидрологией арктических рек [2]. Становится очевидной необходимость в экологических исследованиях современного состояния уязвимых рек арктической части России [3].
Вопросы изучения особенностей формирования ионного стока рек в условиях глобального изменения климата и антропогенной нагрузки рассмотрены во многих работах российских ученых [4–6]. Работы [7, 8] посвящены количественным различиям ионного стока и оценке его антропогенной составляющей. Ю.Б. Кирста, А.В. Пузанов [9] отмечают, что формирование ионного стока происходит в основном катионами кальция Ca2+, магния Mg2+, натрия Na+, калия K+, анионами гидрокарбонатов HCO3–, сульфатов SO42–, хлоридов Cl–.
В статье ионный сток реки Северо-Востока Якутии рассматривается на примере Алазеи. Территория бассейна реки является одним из труднодоступных арктических регионов с естественными природными комплексами, Основными источниками питания поверхностных вод служат атмосферные осадки, грунтовые воды и подземные льды деятельного слоя и многолетнемерзлых пород. Река в гидрологическом и гидрохимическом отношении является малоизученной рекой Арктики, для бассейна которой характерно минимальное антропогенное давление.
Цель исследования: определение зависимости ионного стока реки Алазея от природных факторов.
Материалы и методы исследования
В бассейне р. Алазея авторами был выполнен комплекс гидрометрических и гидрогеохимических наблюдений. В качестве исходных материалов использовались результаты полевых исследований и лабораторных анализов проб воды комплексной научно-исследовательской экспедиции. Методика проведения полевых работ, определение, расчеты, анализ гидрологических характеристик поверхностных вод выполнены в соответствии с Наставлениями гидрометеорологическим станциям и постам [10, 11]. Анализы проб воды выполнены в специализированной аккредитованной лаборатории: Центральной геолого-аналитической лаборатории ГУП РС(Я) – «Центргеоаналитика».
Гидрологический режим р. Алазеи. Бассейн реки расположен на северо-востоке Якутии, протекает по западной стороне Колымской низменности [12]. Реку Алазея длиною 1 590 км образуют реки Нелькан и Кадылчан [13]. Река имеет два крупных притока: с левой стороны – Рассоха длиной 790 км и Буор-Юрях (244 км) – с правой. В верхней части течет по горной местности, в нижней – по равнинной. Площадь водосборного бассейна составляет 74 700 км², и по её размерам занимает 7-е место среди рек Якутии и 27-е – в России [14]. Поверхностные воды района сосредоточены в основном в р. Алазее (3 734 водотока) и многочисленных озерах (24 391 озеро) [14]. В среднем и нижнем течениях река часто меандрирует и через протоки-«виски» сообщается с многочисленными озерами. Распределение стока в течение года также показывает относительно большую его зависимость от наличия озер. Объем стока в зимний сезон составляет 4 %, в лимитирующий – 20 % [15]. В конце мая наступает начало весеннего половодья, при этом максимальный расход воды наблюдается в последней декаде июня. Таким образом, за весенний период происходит формирование более 60 % годового стока реки. В маловодные годы конец половодья отмечается в последних числах июля, а летняя межень – в августе-сентябре. В многоводные годы сроки конца половодья трудно выявить. В этих условиях наибольший расход воды наблюдается даже во второй декаде августа. Формирование стока в верхнем и среднем течениях реки схоже. В верховье подъем уровня воды над минимальным зимним равняется 5,0 м, в средней части реки – 4,5 м, а в низовье – 2,0 м, что связано с повышенными осадками. Режимы стока и уровней воды устьевого участка реки подвержены воздействию со стороны моря.
Ввиду редкой сети гидрометеорологических наблюдений в бассейне р. Алазеи для исследования связей величины стока и факторов, его обусловливающих, применялся метод регрессионного (корреляционного) анализа. Коэффициент корреляции связи величины стока и зимних осадков составляет 0,22, летних – 0,51, что показывает значительно большее влияние на сток летних осадков. При этом вариация осадков за теплый период года значительно выше вариации осадков за холодный период.
Гидрохимический режим реки. Территория бассейна р. Алазеи является одним из труднодоступных арктических регионов Северо-Восточной Якутии с естественными природными комплексами, Химический состав речных вод бассейна Алазеи определяется почвенно-биоклиматическими особенностями и составом горных пород. Основными источниками питания природных вод служат атмосферные осадки (237 мм/год) и подземные льды деятельного слоя и многолетнемерзлых пород. Антропогенная составляющая стока минимальна при практическом отсутствии урбанизации и низкой плотности населения. В бассейне реки проживает около 2,5 тыс. чел., занятых в основном в сельском хозяйстве (табл. 1).
Таблица 1
Численность населения и экономика в бассейне р. Алазеи
|
Село |
Население, чел. |
Экономика |
|
Андрюшкино |
732 |
Сельское хозяйство (скотоводство, коневодство, оленеводство, звероводство, рыболовство, пушной промысел) |
|
Аргахтах |
502 |
|
|
Сватай |
534 |
|
|
Эбях |
486 |
Минерализация атмосферных осадков очень мала – 6–11 мг/л и составляет 20–30 % солевого состава поверхностных вод. Хлоридно-гидрокарбонатные преимущественно натриевые по составу катионов атмосферные осадки привносят основную массу морских солей – хлоридов натрия в поверхностный сток.
Ископаемые льды и грунтовые надмерзлотные воды близки по химическому составу к слабоминерализованным гидрокарбонатным, преимущественно магниевые, слабокислые, с низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала и высоким содержанием аммония и железа. Существенное влияние на химический состав надмерзлотных вод: повышение роли марганца и аммония, заметный сдвиг значений Eh в сторону восстановительных значений оказывают процессы криогенеза.
Выщелачивание горных пород и значительные массы воды, которые содержатся в озерах и деятельном слое, определяют химический состав речных вод бассейна р. Алазея. Роль подземного стока в формировании солевого состава речных вод незначительна.
На всем протяжении вода р. Алазеи остается маломинерализованной (23–38 мг/л), гидрокарбонатной, смешанной по составу катионов с некоторым преобладанием кальция, слабокислой, очень мягкой (0,4–0,7 мг-экв), с высокими значениями величины Eh (в среднем 519 мВ) и повышенным содержанием Fe и тяжелых металлов (Cu и Mn).
Результаты исследования и их обсуждение
Ионный сток является одной из составляющих геостока [16] и качественной характеристикой гидрологических, геохимических и геоэкологических процессов в речных бассейнах.
Ионный сток р. Алазеи практически не зависит от антропогенного влияния (при плотности населения около 0,033 чел/км2) и определяется природными факторами: геохимическими свойствами элементов, литологическими особенностями пород и составом почв бассейна реки, климатическими условиями, растительностью.
Величина ионного стока макро- и микрокомпонентов и характер изменения этих показателей от верхнего течения р. Алазеи до устья приведены в табл. 2.
Таблица 2
Ионный сток р. Алазея (Порок – Андрюшкино – устье)
|
Компоненты |
Ионный сток, т/сут |
Модуль стока, т/год км2 ( %) |
|||||
|
Расстояние от устья, км |
Устье реки |
||||||
|
1272 |
1060 |
825 |
521 |
46 |
|||
|
Ионный сток (½ HCO3-) |
108,9 |
116,6 |
414,1 |
788,1 |
796,4 |
1376,8 |
6,81 |
|
HCO3- |
53,6 |
60,2 |
202,6 |
363,0 |
355,8 |
612,4 |
5,29 (66) |
|
Cl- |
3,2 |
3,5 |
16,8 |
22,6 |
25,3 |
44,3 |
0,19 (2) |
|
SO42- |
7,5 |
8,4 |
23,2 |
18,3 |
17,1 |
95,7 |
0,29 (4) |
|
Ca |
22,7 |
15,0 |
62,3 |
128,1 |
132,8 |
234,9 |
1,14 (14) |
|
Mg |
12,1 |
16,9 |
43,2 |
68,8 |
70,4 |
115,2 |
0,58 (7) |
|
Na |
2,2 |
1,7 |
12,6 |
27,1 |
25,3 |
50,8 |
0,25 (3) |
|
K |
0,9 |
1,7 |
12,6 |
16,2 |
25,3 |
45,2 |
0,22 (3) |
|
Fe |
0,91 |
1,80 |
4,21 |
9,05 |
21,08 |
36,95 |
0,05 (1) |
|
NH4+ |
0,33 |
0,42 |
1,03 |
1,64 |
6,53 |
8,27 |
0,012 |
|
NO3- |
0,37 |
0,48 |
1,17 |
1,86 |
7,37 |
9,33 |
0,013 |
|
N |
0,7 |
0,9 |
2,2 |
3,5 |
13,9 |
17,6 |
0,025 |
|
Cu |
0,030 |
– |
– |
0,161 |
0,152 |
0,266 |
1,089·10-3 |
|
Mn |
0,014 |
– |
– |
0,113 |
0,118 |
0,207 |
0,504·10-3 |
|
Pb |
0,007 |
– |
– |
0,074 |
0,038 |
0,066 |
0,260·10-3 |
|
Ni |
0,007 |
– |
– |
0,063 |
0,044 |
0,037 |
0,244·10-3 |
Ежегодно с территории бассейна Алазеи процессами флювиальной денудации удаляется в Восточно-Сибирское море 0,5 млн т растворенного веществ. Модуль ионного стока очень низкий – 6,8 т/км2 [17], характерен для равнинных рек арктических регионов. Минимальные значения стока обусловлены арктическими климатическими и ландшафтными параметрами, влияющими на интенсивность химического выветривания горных пород.
С территории бассейна Алазеи (табл. 2) в растворенном виде ежегодно удаляется около 0,5 млн. т веществ. В составе растворимых продуктов денудационного происхождения основным анионом на всем протяжении реки является гидрокарбонат-ион (66 %). Среди катионов главная роль принадлежит кальцию (14 %) и магнию (7 %). Вклад остальных макрокомпонентов в растворимый сток составляет в сумме около 13 %. Довольно значительна роль в стоке мезокомпонентов природных вод: железа – около 1 % и соединений азота – 0,5 %. Модуль ионного стока тяжелых металлов (Cu, Mn, Pb, Ni) в пределах n·10-3 т/год км2.
По уменьшению величины ионного стока химические компоненты группируются в следующий ряд:
HCO3 > Ca > Mg > SO4 > Na, K, Cl > Fe > N (NO3 + NH4 + NO2) > Cu > Mn > Pb, Ni.
Небольшая величина модуля ионного стока р. Алазеи – 6,81т/км2·год, характерна для равнинных рек субарктической зоны, зоны очень слабой химической денудации. Минимальные значения стока растворенных веществ обусловлены положением бассейна реки в холодной и влажной тундре, широким распространением в пределах Колымской низменности малорастворимых терригенных отложений, климатическими и ландшафтными параметрами арктического района, сплошным распространением многолетнемерзлых пород, ограничивающим подземный сток.
Химический сток реки на её протяжении далеко не одинаков. От верхнего течения к устью он увеличивается, и максимальная минерализация воды и наиболее интенсивный вынос химических элементов наблюдается в устье Алазеи (рисунок).
Изменение минерализации воды р. Алазеи от верхнего течения (Порок) до устья
Наблюдается пространственное изменение величины ионного стока, отражающее особенности геологического строения бассейна Алазеи. Основной источник растворенных веществ в верхнем течении реки – девон-карбоновые карбонатные породы и верхнемеловые липарты и дациты Алазейского плоскогорья, что определяет заметную роль в стоке сульфатов, магния и железа (табл. 2).
В среднем и нижнем течении Алазея дренирует верхнечетвертичные и современные терригенные отложения, представленные песками, галечниками, супесями, суглинками, торфом, подземными льдами. Здесь река протекает по заболоченной тундре, равнине, насыщенной органикой. Обилие органического вещества (торф, растительные остатки) и застойный режим обеспечивают слабо восстановительную среду. На этом участке реки возникает своеобразный «тундровый» геохимический барьер: органический и, возможно, механический (связанный с незначительным уменьшением скорости течения реки). Воздействие тундрового барьера влияет на понижение ионного стока ряда макро- и микрокомпонентов, и наиболее интенсивное для тяжелых металлов – свинца и никеля, и минимальное для гидрокарбонатов (в скобках величина снижения ионного стока на геохимическом барьере, %):
Pb(49) > Ni(30) > SO42-(7) > Cu(6) > HCO3-(2).
Выводы
Ионный сток Алазеи практически не зависит от антропогенного влияния (при плотности населения около 0,033 чел/км2) и определяется природными факторами: геохимическими свойствами элементов, литологическими особенностями пород и составом почв бассейна реки, климатическими условиями, растительностью.
Минимальные значения стока растворенных веществ обусловлены положением бассейна реки в холодной и влажной тундре, широким распространением в пределах Колымской низменности малорастворимых терригенных отложений, климатическими и ландшафтными параметрами арктического района, сплошным распространением многолетнемерзлых пород, ограничивающим подземный сток. От верхнего течения к устью химический сток реки Алазея увеличивается и максимальная минерализация воды и наиболее интенсивный вынос химических элементов наблюдается в устье.