Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

PHYSICAL AND CHEMICAL FEATURES OF POLIGONAL PONDS WATER IN THE WILDERNESS PROTECTION ZONE «KYTALYK» (INDIGIRKA RIVER BASIN)

Levina S.N. 2 Yadrikhinskiy I.V. 1 Gorodnichev R.M. 2 Davydova P.V. 2 Pestryakova L.A. 2 Perepelitsa I.M. 3 Ushnitskaya L.A. 2
1 LLC «Gazprom dobycha Noyabrsk»
2 North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov
3 AlfaStrakhovanie Group
In the article we show the characterization of main physical and chemical parameters of water of 27 poligonal ponds located on the territory of the Wilderness Protection Zone «Kytalyk» (Indigirka River basin). All water objects located north of the Arctic circle in the zone of distribution of permafrost rocks. Water of the considered reservoirs characterized by high transparency, low values of mineralization (15-140, 3 mg/l) and total hardness (1-1,7 mg-EQ/l) and, mainly, by weakly acidic reaction of the medium (pH 5,5-7,1) and weakly acidic reaction of the medium(pH 5,5-7,1). Among the main ions dominated by sulfates, hydrocarbons, magnesium and calcium. A characteristic feature of the studied reservoirs are high concentrations of total iron probably reflecting its increased content in the underlying rocks, which is a characteristic feature for the lakes of the North of Yakutia. Despite the established similarity in the chemical composition of water polygonal ponds of various locations (on-site edoma, upper, lower alas and in the floodplain of Berelekh) also found differences. So for edoma’s water bodies and the upper alas are marked, mainly, approximately equal shares of the ions of calcium and magnesium, and a predominance of the sulfate anions, while for water bodies of the lower alas it is noted a similar distribution of cations, as well as the predominance in some cases, sulfates or bicarbonates. For water bodies of the floodplain there is a widespread prevalence of calcium, as well as a significant increase in the percentage of hydrocarbonates in comparison with other reservoirs. The difference in the ionic composition of water probably indicates a significant impact of the location of each specific reservoir, as well as the peculiarities of the chemical composition and the predominance of one of the sources of power (precipitation, ice and river water).
Indigirka river
polygonal ponds
hydrochemistry
physico-chemical parameters
North-East of Yakutia

Российская Арктика представляет собой сосредоточение стратегически важных для страны территорий, характеризующихся богатством минерально-сырьевых ресурсов, обширными ненарушенными природными экосистемами, являющимися местообитанием ценных представителей флоры и фауны [1, 2]. Одним из основных элементов ландшафтов арктических территорий, во многом определяющим облик и особенности функционирования местных экосистем, являются разнообразные водоемы. Особым типом такого рода объектов являются водные образования, формирующиеся в результате протаивания грунтовых жильных льдов, именуемые полигональными водоемами. Несмотря на высокую значимость для народного хозяйства арктическая территория Якутии в целом и отдельные ее компоненты в частности, в том числе и полигональные водоемы, исследованы слабо (ввиду удаленности и ограниченной транспортной доступности территории), именно поэтому проведение настоящего исследования обладает высокой степенью актуальности.

Основная цель данной работы – исследование современных физико-химических особенностей полигональных водоемов и влияние на них условий (категорий ландшафтов) местоположения водоемов.

Материалы и методы исследования

Объектом настоящей работы являются 27 полигональных водоемов (рис. 1), расположенных на правом берегу р. Берелех в ресурсном резервате (РР) «Кыталык» (бассейн р. Индигирка), созданном с целью сохранения типичных тундровых экосистем и якутских популяций ценных представителей флоры (селезеночник четырехтычинковый, белозер Коцебу) и фауны (сибирский журавль-стерх, розовая чайка, лебедь-кликун и др.). Полевые исследования выполнены в рамках российско-германской экспедиции, реализованной с 21 июля по 24 августа 2011 г. Отбор и консервация проб воды на химический анализ проведена в соответствии со стандартными методиками (ГОСТ 31861-2012), прозрачность воды определена с использованием диска Секки. Лабораторные исследования воды проведены с применением широко используемых методов (ГОСТ 4151-72; ПНД Ф 14.1:2.1-95; ПНД Ф 14.1:2.50-96; ПНД Ф 14.2.99-97; ПНД Ф 14.1:2:4.157-99; ПНД Ф 14.1:2:4.167-2000; РД 52.24.433-2005). Более подробное описание методики исследования приведено в ранее опубликованной авторами настоящего исследования работе [3].

lev1.tif

Рис. 1. Район исследования

Результаты исследования и их обсуждение

В соответствии с мерзлотно-ландшафтным районированием Якутии [4], а также основываясь на особенностях микро- и мезорельефа территории, на которой расположены водоемы, произведено выделение четырех групп объектов исследования: I – водоемы, располагающиеся на едомах; II – водоемы 1-й надпойменной террасы р. Берелех; III – водоемы нижнего уровня аласа; IV – водоемы верхнего уровня аласа. Ниже приведена характеристика основных физико-химических параметров воды объектов исследования.

Важным физическим параметром состояния воды является ее прозрачность, зависящая главным образом от содержащихся в толще воды взвешенных минеральных частиц и микроорганизмов (рис. 2). Роль последних особенно велика для водных объектов, где наблюдается «цветение» – период наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов, что обуславливает высокую их численность и снижение поступления солнечного света в толщу воды. В период исследования видимого цветения водоемов РР «Кыталык» не наблюдалось, что обусловлено суровыми климатическими условиями, в которых располагаются водоемы и низким уровнем их трофности. Все обследованные полигональные водоемы обладают небольшой максимальной глубиной (от 0,1 до 0,7 м) и во всех случаях характеризуются прозрачностью «до дна» котловины даже в наиболее глубоких частях водоемов, что является благоприятным условием для фотосинтезирующих микроорганизмов (планктонных и бентосных водорослей различных систематических групп).

lev2.wmf

Рис. 2. Соотношение прозрачности воды со средним значением максимальных глубин

Еще одним важным для жизнедеятельности гидробионтов фактором является концентрация растворенного в воде кислорода. В целом для всех обследованных полигональных водоемов характерна высокая его концентрация (5,4–12 мг/л), обусловленная низким его расходом на процессы жизнедеятельности и, следовательно, небольшими затратами на процессы биохимического окисления разлагающихся органических соединений. Важнейшим фактором, обуславливающим низкую биологическую продуктивность водоемов, должно быть полное промерзание их водной толщи в период отрицательных температур.

Водородный показатель рН в исследуемых водоемах колеблется от 5,5 до 7,1 (рис. 3). По результатам анализов, вода была охарактеризована как слабокислая (при pH = 5,0–6,5, 78 % водоемов) и нейтральная (при pH = 6,5–7,5, 22 %). Нейтральной средой обладают только пойменные водоемы, вероятно, эпизодически обводняемые в период высокой воды на р. Берелех. Вода остальных водоемов подкислена, что является типичным состоянием для тундровых водоемов территории и, вероятно, указывает на определяющее значение осадков в качестве источника питания, водородный показатель которых характеризуется слабокислыми значениями.

lev3.tif

Рис. 3. Основные физико-химические параметры воды полигональных водоемов

По значениям общей жесткости вода была отнесена к категории «очень мягкая» (менее 1,5 мг-экв/л). Исключением является только водоем КУТ-6 (рис. 3) с относительно высоким содержанием солей (вода «мягкая»). В исследуемый период изученные водоемы имели низкую минерализацию воды, колеблющуюся от 15 до 140,3 мг/л, при среднем значении 32,5 мг/л (табл. 1), что позволяет охарактеризовать водоемы как обладающие ультрапресной водой. Наименее минерализованными оказались воды нижнего аласа (от 20,3 до 30,0, при среднем значении – 24,4 мг/л). Относительно высокая минерализация со значением 140,3 мг/л была отмечена в водоеме КУТ-6, расположенном на верхнем аласе РР «Кыталык». Общая низкая минерализация водоемов является закономерным результатом особенностей водного баланса территории, характеризующейся превышением количества выпадающих на территории осадков над количеством испарившейся влаги, что является причиной постоянного притока «свежей» порции воды, превышая количество испарившейся влаги, способствующей повышению уровня «неиспаряющихся» солей.

Таблица 1

Физико-химические показатели водоемов аласа Кыталык

Параметр

Водоемы

Едомы

Поймы

Нижнего аласа

Верхнего Аласа

Прозрачность (м)

0,2–0,4

0,3*

0,1–0,7

0,4

0,3–0,5

0,4

0,1–0,7

0,4

pH

6,2–6,3

6,2

6,2–7,1

6,6

5,5–6,8

6,1

5,6–6,8

6,2

Общая жесткость (мг-экв/л)

0,2–0,4

0,4

0,2–0,8

0,4

0,2–0,3

0,3

0,1–1,7

0,5

Минерализация (мг/л)

20,8–38,0

30,0

18,7–61,5

32,3

20,3–30,0

24,4

15,0–140,3

37,5

Feоб. (мг/л)

0,7–1,2

0,9

0,7–9,9

4,7

0,2–1,1

0,7

0,2–3,3

1,0

Si (мг/л)

1,4–3,3

2,4

0,4–3,3

2,5

0,9–1,4

1,2

0,4–3,3

1,5

Ca2+ (мг/л)

2,0–5,3

3,7

2,9–8,4

4,4

1,9–3,5

2,6

1,1–21,2

4,9

Mg2+(мг/л)

1,8–2,8

2,3

1,3–4,1

2,2

1,9–3,5

2,6

1,3–2,0

1,8

NH4+ (мг/л)

0,023–0,03

0,03

0,002–0,034

0,02

0,004–0,045

0,02

0,003–0,13

0,03

ΣNa++K+ (мг/л)

1,2–1,6

1,6

0,7–2,2

1,2

0,7– 2,7

1,7

0,6–3,6

1,6

HCO3- (мг/л)

3,4–13,0

7,9

6,9–33,1

15,3

3,2–14,2

8,8

2,7–89,7

18,0

SO42- (мг/л)

11,5–15,4

14,1

5,3–13,0

15,3

3,2–14,2

9,1

6,2–12,0

9,9

Cl- (мг/л)

0,2–0,4

0,3

0,2–0,7

0,5

0,1– 0,5

0,3

0,1–2,1

0,5

Примечание. Под чертой указаны средние значения параметра.

Железо – один из важнейших биогенных микроэлементов, играет важную роль в процессах жизнедеятельности организмов (процессы дыхания, фотосинтеза и др.), является одним из наиболее распространенных элементов окружающей среды. В исследованных водоемах концентрация общего железа варьирует от 0,2 (КУТ-17, нижний алас) до 9,9 (КУТ-20, пойма) мг/л, при среднем 2,2 мг/л (рис. 3). Следует отметить, что рыбохозяйственный норматив ПДК (предельно допустимая концентрация) [5] общего железа равен 0,1 мг/л, и все водоемы характеризуются превышениями концентрации данного компонента (от 1,8 до 99 ПДК). Было отмечено, что в водоемах других ландшафтов, превышение нормативов ПДК значительно ниже, чем в пойменных водоемах, вероятно обогащаемых железом периодически в результате попадания речных вод. В целом высокое содержание железа является особенностью водных объектов северной части Якутии [6] и, вероятно, является результатом высокого фонового содержания железа в подстилающих горных породах.

Концентрация кремния, одного из наиболее распространенных элементов земной коры, в изученных водоемах колеблется от 0,4 (КУТ-1) до 3,3 (КУТ-11) мг/л (оба водоема расположены на верхнем аласе), при среднем значении – 1,9 мг/л (рис. 3). Высокое его содержание отмечено в водоемах едомных обнажений и поймы р. Берелех (в среднем до 2,5 мг/л). Наибольшее среднее содержание кремния (до 0,03 мг/л) зафиксировано в водоемах верхнего аласа. Кремний является важнейшим элементом для жизнедеятельности одной из основных групп организмов-продуцентов полигональных водоемов – диатомовых водорослей (отдел Bacillariophyta), он поступает в воду главным образом при ее контакте с горными породами, обогащенными данным элементом (песок, глина и др.).

Аммоний-ион (NH4+) в природных водах накапливается при растворении в воде газа – аммиака (NH3), образующегося при биохимическом распаде азотсодержащих органических соединений [7]. Растворенный аммиак может поступать в небольшие термокарстовые водоемы с поверхностным стоком и атмосферными осадками. Концентрация аммония в изученных водоемах невысока и меняется незначительно, от 0,002 (КУТ-18, пойма) до 0,13 мг/л (КУТ-14, верхний алас), при среднем 0,03 мг/л (рис. 3).

Главнейшие ионы воды. Состав главных катионов воды водоемов местности Кыталык характеризуется преобладанием ионов Ca2+, со значением 21,2 мг/л (КУТ-6), при среднем значении показателя 4,7 мг/л (рис. 4).

lev4.tif

Рис. 4. Главнейшие ионы воды водоемов местности Кыталык

Таблица 2

Основные свойства и классификация химического состава воды водоемов местности Кыталык по группам

Группы

Основные свойства состава воды по Курлову

Класс химического состава воды по Алекину

Едомы

lev01.wmf

вода гидрокарбонатно-сульфатная кальциево-магниевая, ультрапресная

Класс сульфатных, группа кальциевых,

2 тип

Пойма р. Берелех

lev02.wmf

вода сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая, ультрапресная

Класс гидрокарбонатных, группа кальциевых,

2 тип

Нижний алас

lev03.wmf

вода гидрокарбонатно-сульфатная кальциево-магниевая, ультрапресная

Класс сульфатных, группа магниевых, 2 тип

Верхний алас

lev04.wmf

вода сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая, ультрапресная

Класс гидрокарбонатных, группа кальциевых, 2 тип

За исключением водоема КУТ-6 (верхний алас), для состава главных анионов всех водоемов аласа Кыталык было характеризовано преобладание гидрокарбонатов и сульфатов. В водоемах едомы в анионном составе вод содержание гидрокарбонатов колеблется от 63 % (верхний алас) до 31 % (едома) мг-экв/л, при среднем содержании 41 %. Среди всех групп водоемов (13,8 мг/л) эта группа характеризуется наибольшим средним содержанием анионов сульфатов. В табл. 2 приведена характеристика химического состава воды (по средним значениям концентраций) групп объектов исследования по М.Г. Курлову и по О.А. Алекину [8].

В целом для водоемов верхнего аласа и едомы характерно преобладание сульфат-анионов над гидрокарбонатами с приблизительно равными количествами ионов кальция и магния. Для большей части водоемов нижнего аласа отмечены приблизительно равные высокие доли ионов кальция и магния (лишь для трех водоемов зафиксировано более значимое превышение одного из указанных ионов), в структуре анионов в 56 % случаев преобладают сульфаты, в 45 % – гидрокарбонаты. Во всех водоемах поймы отмечено преобладание ионов кальция, а среди анионов в 44 % случаев доминируют гидрокарбонаты, в 22 % – сульфаты и в 33 % – наблюдаются приблизительно равные доли сульфатов и гидрокарбонатов. Значительное преобладание ионов кальция и повышенное количество гидрокарбонатов в воде полигональных водоемов поймы может быть свидетельством воздействия вод р. Берелях в период высокого ее уровня.

Заключение

Полигональные водоемы ресурсного резервата «Кыталык» обладают высокой прозрачностью, ультрапресной (минерализация 15–140,3 мг/л), главным образом, очень мягкой (общая жесткость 0,1– 1,7 мг-экв/л) и слабокислой водой (pH 5,5–7,1). Среди главных ионов преобладают сульфаты, гидрокарбонаты, магний и кальций. Характерной особенностью исследуемых полигональных водоемов являются высокие концентрации общего железа, вероятно, отражающие повышенное его содержание в подстилающих горных породах, что является характерной особенностью и для озер севера Якутии [9]. Несмотря на высокую общность компоненты химического состава воды обнаруживают значительную разность в зависимости от местоположения водоемов. Так, для водных объектов едомы и верхнего аласа отмечены главным образом приблизительно равные доли ионов кальция и магния, а также преобладание сульфат-анионов, в то время как для водоемов нижнего аласа отмечается схожее распределение среди катионов, а также преобладание в отдельных случаях сульфатов или гидрокарбонатов. Для водных объектов поймы установлено повсеместное доминирование кальция, а также значительное увеличение, в сравнении с другими водоемами, процентного количества гидрокарбонатов. Различие ионного состава воды указывает на значительное влияние условий местоположения каждого конкретного водоема, а также на особенности химического состава и роли источников питания водоемов (атмосферные осадки, грунтовый лед и речная вода).

Авторы выражают глубокую благодарность всем участникам российско-германской экспедиции «Кыталык – 2011», в том числе Андрее Шнейдер, Лутцу Ширмейстеру, Фабиану Биирбауму, Хансу Юоостену, Аннетте Телтевской, Юлиане Сейферт, Виктору Ситало, Любови Кохановой, Владимиру Тумскому, Евгении Жуковой и Зинаиде Атласовой.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 11-04-91332-ННИО. «Полигоны в болотах тундры: динамика и ответ на изменчивость климата в полярных регионах» 2011-2013, проектного финансирования СВФУ им. М.К. Аммосва (приказ 494-ОД от 02.05.2017 г.) «Палеоэкологические и биоиндикационные исследования водных экосистем криолитозоны Северо-Востока России в условиях изменения климата и антропогенного пресса», проектной части государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки РФ по Заданию 5.2711.2017/ПЧ. «Биогеографические закономерности биоты озер арктической зоны Северо-Востока Российской Федерации», а также проекта РФФИ-регион № 15-45-05063 р_восток_а «Палеоэкологические исследования голоценовой истории озер бассейна реки Индигирка».