Устьевая область, с одной стороны, является фактором мощного воздействия на прилегающую морскую среду, с другой стороны, ее состояние формируется под воздействием всей территории водосбора реки. Таким образом, устьевая область – объект, информация о состоянии которого может применяться для характеристики морской среды и территории водосбора. Северная Двина является одной из крупнейших рек европейского Севера России. Площадь её водосбора составляет 357 тыс. км2, а речной сток равен около 110 км3 в год [1]. Такая величина стока играет существенную роль в процессах, происходящих в Белом море: стоковое течение распространяется вдоль восточного берега вплоть до Баренцева моря, распресняя воды этих морей и перенося загрязнение, содержащееся в речных водах. При впадении в Белое море Северная Двина образует многорукавную обширную дельту (рис. 1) площадью около 1000 км2 [1]. В районе дельты Северной Двины расположены 3 промышленных города (Архангельск, Северодвинск, Новодвинск) и многочисленные малые населённые пункты, морской и речной порт, которые оказывают влияние на состояние окружающей среды района исследования (рис. 1).
Мониторинг состояния и загрязнения водной среды и воздуха в дельте Северной Двины проводится государственными органами (территориальные подразделения Росгидромета, Росводресурсов и др.). В данном случае устанавливается соответствие концентраций загрязняющих веществ действующим значениям предельно допустимых концентраций (ПДК). При этом не учитываются региональные особенности территории. Например, фоновое содержание железа, меди, марганца уже превышает ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения. В то же время научное сообщество проводит исследования состояния водных и наземных экосистем, которые свидетельствуют о реальном воздействии на окружающую среду. Таким образом, государственный мониторинг загрязнения и научные исследования имеют разные цели и фактические результаты. Цель работы – дать общую оценку загрязнения дельты Северной Двины по данным разных источников информации.
Факторы, влияющие на загрязнение вод устьевой области Северной Двины
Б.И. Кочуров рассматривает экологические ситуации как сочетание различных с точки зрения проживания и состояния здоровья человека условий и факторов, создающих на территории определенную обстановку разной степени благополучия [2]. В качестве основных факторов, влияющих на экологическую ситуацию рассматриваемой территории, можно назвать следующие.
Сброс сточных вод. По данным многолетних наблюдений, этот фактор можно считать наиболее важным. Несмотря на наличие очистных сооружений, не все сбрасываемые воды проходят через них. Опасность такого сброса заключается в непосредственном попадании загрязнителей в речные воды и локализации их на определённых участках.
Выбросы промышленных предприятий и частного сектора. Из атмосферы загрязняющие вещества осаждаются на водную поверхность и площадь водосбора. Существенно ускоряют попадание загрязнителей в воду атмосферные осадки, вымывающие вещества из атмосферы.
Рис. 1. Дельта Северной Двины: ^ – створы наблюдений ФГБУ «Северное УГМС»: р. Северная Двина 1 – выше г. Новодвинск, 2 – ниже г. Новодвинск, 3 – ж.-д. мост; 4 – прот. Кузнечиха, 20 км от устья; 5 – рук. Корабельный; 6 – прот. Кузнечиха, 4 км от устья; 7 – прот. Маймакса; 8 – рук. Мурманский; 9 – рук. Никольский
Смыв загрязнителей с почв при таянии снега. Не менее полугода территория водосбора Северной Двины покрыта снегом – мощным накопителем загрязняющих веществ. При таянии снега они частью впитываются в почвы и грунты, частью растворяются в воде и с ней попадают в реку.
Гидродинамика вод. Устьевая область Северной Двины подвержена сильным полусуточным приливным и нагонным течениям. Скорости течений, особенно при нагонах и сгонах, могут достигать 2–3 м/с, а высота уровня воды повышается на несколько метров. Такая высокая динамика вод приводит к распространению загрязнения на большие расстояния как из реки в море, так и из моря в реку. При этом течения способствуют разбавлению загрязнителей, снижая их концентрацию. В то же время переотложение наносов течениями, особенно на судоходных каналах, заносимость которых в межсезонье может достигать более 200 см, могут привести к вторичному загрязнению акватории, в том числе во время проведения дноуглубительных работ. К такому же результату могут привести и сильные шторма, способные вызвать переотложение сотен тысяч кубических метров грунта за один шторм.
Дальний перенос загрязнённых веществ воздушными массами. Загрязнения по воздуху могут переноситься на большие расстояния от источников мощных выбросов. Оседая на земную поверхность, они попадают в воды устьевой области после таяния снега и льда. В среднем за год на подстилающую поверхность рассматриваемой территории с осадками поступает 350–800 кг/км2 азота, что превышает уровень критической нагрузки для лесных и водных экосистем (300 кг/км2 в год) [3]. В результате влияния морских территорий величина влажных выпадений хлорид-ионов составила 1,12–1,97 т/км2, ионов натрия – 0,63–1,01 т/км2, сульфатов-ионов – 1,60–3,28 т/км2. При этом прослеживается тенденция снижения влажных выпадений данных веществ при удалении от береговой линии. Повышенные значения влажных выпадений сульфатов-ионов на станции Архангельск (3,28 т/км2 в год) связаны с наложением на воздействие морских аэрозолей влияния промышленных выбросов [4].
Судоходство. Гребные винты морских судов взмучивают донные осадки, что приводит к повышению концентрации взвешенных веществ на судоходном канале [5] и вторичному загрязнению речных и морских вод.
Источники и уровень загрязнения
Основными источниками воздействия на окружающую среду для г. Архангельска являются Архангельская ТЭЦ, автомобильный, речной и железнодорожный транспорт; для г. Новодвинска – АО «Архангельский ЦБК» и автотранспорт. Основной вклад в загрязнение атмосферы г. Северодвинска вносят выбросы таких стационарных источников, как Северодвинская ТЭЦ-1 и Северодвинская ТЭЦ-2, наибольшее количество специфических веществ выбрасывается на АО «ПО «Севмаш» и АО «ЦС «Звездочка». В атмосферу города Архангельска значимая часть загрязняющих веществ поступает с выбросами автотранспорта (рис. 2).
Рис. 2. Структура выбросов в городах: 1 – Архангельск, 2 – Новодвинск, 3 – Северодвинск (составлено авторами по данным ежегодных государственных докладов «Состояние и охрана окружающей среды Архангельской области»)
В последние годы количество выбросов загрязняющих веществ от промышленных источников на рассматриваемой территории снизилось (рис. 3). Сокращение выбросов связано с переходом Северодвинской ТЭЦ-2 и Архангельской ТЭЦ ГУ ОАО «ТГК-2» по Архангельской области на использование в качестве основного вида топлива природного газа, также с остановкой в апреле 2013 г. производства ОАО «Соломбальский ЦБК». Кроме того, закрылись такие предприятия, как ОАО «Северное лесопромышленное товарищество лесозавод № 3» и ОАО «Лесозавод № 2».
По данным наблюдений Северного УГМС, уровень загрязнения атмосферы в дельте Северной Двины до 2014 г. чаще всего оценивался как повышенный или высокий [6–8]. С 2014 г. уровень загрязнения атмосферы снизился и стал оцениваться как повышенный, а в гг. Новодвинск и Северодвинск – как низкий. Следует обратить внимание, что снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха с 2014 г. связано, прежде всего, с изменением санитарно-гигиенических нормативов концентраций формальдегида и не имеет отношения к реальному изменению уровня загрязнения воздуха этим загрязняющим веществом [6]. Уровень загрязнения городов в большинстве своем определяется повышенными концентрациями в воздухе формальдегида и бенз(а)пирена, в отдельные годы – оксидами и диоксидами азота. Высокое содержание оксидов азота в атмосферном воздухе г. Архангельск отмечается в феврале-апреле, когда средние за месяц значения превышают предельно допустимые. Это месяцы с минимальным в годовом ходе количеством осадков и высоким содержанием в осадках форм азота [3]. Рост содержания углеводородов в атмосфере устьевой области Северной Двины и прибрежных районах Белого моря зимой (в отопительный сезон) приводит к их концентрированию в снеге и льдах [9] и дальнейшему поступлению в воду.
В загрязнении атмосферного воздуха устьевой области Северной Двины, помимо местных источников, значимую роль играет дальний атмосферный перенос [10]. Влияние Мурманской области проявляется в отношении никеля и меди, где эти элементы в большом количестве поступают в атмосферу в результате деятельности медно-никелевых комбинатов в городах Мончегорск и Никель [11]. Для севера Европейской территории России характерно более высокое содержание свинца и кадмия в воздухе в зимний период по сравнению с летом, что связано с большим временем жизни тяжелых металлов в атмосфере в холодное время и, соответственно, с более эффективным переносом загрязнений из южных районов [12]. Отметим, что дальний перенос может быть весьма значительным, как это имело место в марте 2008 г. [13], когда мощными потоками воздуха пыль была перенесена из южных регионов Европы на Русский Север и покрыла площадь на многие тысячи квадратных километров, вызвав настоящую панику у местного населения.
Рис. 3. Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников по городам, тыс. т (составлено авторами по данным ежегодных государственных докладов «Состояние и охрана окружающей среды Архангельской области»)
По данным государственного мониторинга загрязнения поверхностных вод, в большинстве пунктов наблюдений (рис. 1) в дельте р. Северной Двины, согласно [14], вода реки оценивалась как «загрязненная» и «очень загрязненная» и относилась к 3-му классу качества, разрядам «а» и «б». Наиболее высокий уровень загрязненности в дельте реки характерен для проток Маймакса и Кузнечиха, где класс качества возрастал до 4-го, разрядов «а» и «б» и вода оценивалась как «грязная». Как показывают результаты государственного мониторинга, уровень загрязнения дельты р. Северная Двина за последние 10 лет существенно не изменился. Изменения качества воды в основном связаны с колебаниями концентраций металлов, обусловленными природными факторами [15–17]. Характерными загрязняющими веществами р. Северная Двина являются трудноокисляемые органические вещества и соединения металлов: железа, меди, цинка, марганца и алюминия. В некоторых пунктах контроля также фенолы и лигносульфонаты. Среднее содержание соединений металлов (железо, медь, цинк, алюминий, марганец) в воде реки превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 1,5–4,7 раза (рис. 4).
В то же время максимальные концентрации достигают очень высоких значений. Например, максимальные концентрации соединений железа и марганца, зарегистрированные в воде рукава Никольский в районе с. Рикасиха в периоды весеннего половодья 2011 и 2014 г., превышали установленные нормативы почти в 30 раз и были связаны с увеличившимся стоком в реки обогащённых этими элементами болотных вод [16; 17]. Наибольшее содержание соединений меди за рассматриваемый период было определено в 2014 г. в р. Северная Двина в районе ж.-д. моста, где превысило предельно допустимое значение в 15 раз. Наибольшее превышение установленного стандарта для соединений цинка (в 7 раз) определено в воде рукава Мурманский (с. Красное) в 2007 г. Следует учитывать, что повышенное содержание соединений металлов в воде р. Северной Двины обусловлено в том числе грунтовым и болотным питанием.
На фоне низкой водности в период зимней и летней межени в протоке Кузнечиха (4 км выше устья) и протоке Маймакса ежегодно наблюдаются случаи нагонных явлений, сопровождающиеся проникновением морских вод в дельту реки. В этот период значительно повышается минерализация воды. Кислородный режим описываемого участка реки в основном оценивается как удовлетворительный. Периодические снижения концентрации растворенного в воде кислорода обусловлены сложившимися гидрометеоусловиями и отмечаются главным образом в меженные периоды (февраль, март, август).
Рис. 4. Средние за 2008-2018 гг. значения содержания металлов в дельте и устьевой области р. Северная Двина, в долях ПДК (составлено авторами по данным [6–8])
Устьевая область Северной Двины длительное время подвергалась воздействию сбросов предприятий целлюлозно-бумажного производства (ЦБП), в технологический цикл которых входила ртуть. Максимальные содержания валовой ртути в донных отложениях устьевой области фиксируются в районе Архангельска, Новодвинска и импактного воздействия ЦБП [18]. Доминирующими формами нахождения являются органокомплексы ртути. Увеличение содержания ртути в пробах наблюдается с ростом концентрации природного и антропогенного органического вещества, пелитового материала, метана и общего сероводорода, миграционная активность ртути в природных условиях региона повышена.
В донных осадках протоки Кузнечиха обнаружены также хлорорганические соединения, попадающие сюда в результате смыва из почв лесозаводов, выбросов и сбросов от промышленно-хозяйственных объектов, расположенных в ее прибрежной зоне [19].
Согласно результатам изучения распределения и состава углеводородов (УВ) [20] в донных осадках рукавов дельты Северной Двины во время половодья, несмотря на довольно постоянный их литологический состав (преобладала песчано-алевритовая фракция), наблюдается высокая дисперсность данных как для алифатических углеводородов (АУВ), так и для органического углерода (Сорг). Обусловлено это множественностью источников поступления органических соединений. Для всего массива данных гранулометрический фактор при распределении ОС оказывает основное влияние, так как в целом наблюдалась зависимость между распределением изучаемых соединений и влажности осадков Сорг и АУВ: r(Сорг – АУВ) = 0,81. Это может свидетельствовать как об одинаковых путях поступления природных и антропогенных соединений в донные осадки, так и о быстрой трансформации нефтяных УВ. При этом значительная их часть осаждается на геохимическом барьере, образующемся в зоне смешения речных и морских вод, который является природным фильтром, препятствующим проникновению в Белое море нефтяных, а также пирогенных углеводородов [21].
Нерешённые проблемы
Несмотря на более чем столетнюю историю исследования устьевой области Северной Двины, ряд процессов ещё далеко не изучены, что не даёт возможности оценить характер распространения и накопления загрязняющих веществ на её акватории. Укажем на наиболее важные из них.
Перераспределение стока через протоки дельты. До сих пор неизвестен даже приближённо объём вод, перетекающих по многочисленным протокам, образующимся островами дельты, из рукава в рукав, без чего невозможно точно оценить загрязнение вод, особенно при аварийных сбросах и разливах. Математические модели пока дают возможность решать только некоторые, пусть и достаточно важные, частные задачи, в том числе и прогнозирования распространения химических соединений [22–24].
Влияние стратификации атмосферы на состав аэрозолей. В экспедиционных исследованиях распространения аэрозолей над Белым морем, среди которых, как показано выше, могут быть многие загрязнители, установлен факт влияния на их распространение состояния нижних слоёв атмосферы [25]. Краткосрочные последствия для экосистемы и здоровья населения ситуаций, особенно при аномальных инверсиях, ещё не изучены.
Пространственная и временная неоднородность загрязнения. Экспедиционные исследования [26–28] показали, что концентрации веществ, содержащихся в воде и донных отложениях, обладают достаточно большой временной и пространственной изменчивостью. В этом смысле можно выделить три зоны: «речная» – от Усть-Пинеги до дельты, дельта и устьевое взморье. Установление строго обоснованных различий в потоках вещества в этих трёх зонах – одна из самых востребованных задач. Сильно изменяется поток взвешенных веществ в период половодья [17; 29; 30]. Такая же проблема характерна для всех приливных устьевых областей арктических морей, даже таких крупных, как Обь, несмотря на то что в них границы между разными типами вод несколько другие [31; 32].
Поведение экосистемы при аварийных ситуациях. Известно, что аварийные сбросы и выбросы на предприятиях и водном транспорте могут приводить к очень тяжёлым последствиям. И хотя это происходит редко [33], тем не менее существует большая вероятность угрозы функционированию экосистемы и здоровью населению. С нашей точки зрения, наибольшую опасность представляет угроза нефтяного загрязнения от расположенной в устьевой области нефтебазы и её транспортировки танкерами, дедвейтом более 20000 т. Мировой опыт и результаты моделирования [34] показывают, что зона поражения акватории и берегов может быть огромной, а ущерб исчисляться сотнями, а то и миллиардами долларов. Районирование акватории Белого моря относительно экологической угрозы, которую создают танкерные перевозки, показало, что устьевая часть Северной Двины и восточная часть Двинского залива являются одними из наиболее уязвимых участков независимо от сезона [35]. Необходимо отметить, что аварийные ситуации на предприятиях не всегда приводят к сильному загрязнению речных вод. Так, 2 марта 2005 г. на тепловой электростанции Архангельского целлюлозно-бумажного комбината произошел прорыв дамбы золошлакоотвала. В результате некоторая часть загрязняющих веществ из тела дамбы была смыта в Северную Двину. Сразу после аварии были отобраны пробы воды, снега и льда в дельте Северной Двины и на устьевом взморье Белого моря. На основании выполненных анализов зафиксировано только локальное загрязнение речных и морских вод взвешенными веществами, обусловленное смывом твердых веществ, составляющих тело дамбы. Также было отмечено превышение некоторых других ингредиентов и показателей качества вод, однако не все из них могут быть однозначно квалифицированы как результат аварии [33].
«Новые загрязнители». Постоянно появляются выпускаемые промышленностью новые загрязняющие вещества, например, средства бытовой химии для мытья посуды, влияние которых на природную среду требует своего изучения [36]. Глобальные процессы распространения этих веществ и миграция их в природных средах ещё только по-настоящему начинается, хотя и приобрела международный размах (например, проблема загрязнения окружающей среды черным углеродом [37]). В последние годы все большую озабоченность в отношении окружающей среды вызывает микропластик [38; 39].
Заключение
В рамках одной публикации невозможно отразить все аспекты экологического состояния такого сложного объекта, как устьевая область Северной Двины. В целом можно констатировать, что, несмотря на загрязнённость некоторых участков акватории и донных отложений, ситуацию в её устьевой области нельзя назвать острой. Тем не менее, несмотря на многочисленные исследования и множество публикаций, полная картина природных условий этого природного объекта ещё далеко не ясная. Лучшему пониманию происходящего препятствует существующая система экологического мониторинга и ведомственная разобщённость. К объективным обстоятельствам следует отнести уровень моделирования такого рода объектов, не позволяющий получить адекватную картину происходящего. Но это касается всех приливных устьев арктических рек и может быть преодолено совместными усилиями научного сообщества.