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

SPECIFICITY OF FORMATION OF MARGINAL FILTERS IN TIDAL MOUNTAINS OF SMALL RIVERS IN THE WINTER PERIOD THE EXAMPLE OF THE RIVER OF SOLZA IN THE DVINSKY GULF OF THE WHITE SEA

Miskevich I.V. 1 Lokhov A.S. 1 Chultsova A.L. 1
1 Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Sciences
The results of studies of the microtidal mouth of the small Solza River in the Dvina Bay of the White Sea at the end of the winter low-water period (early April 2021) are presented. This water body is a small-flowed delta with a shallow seashore, where the depths in low water of the tidal cycle do not exceed 1 meter. Two transects were made along the estuary watercourse in full and low tidal cycle water at 5 stations and semi-daily observations at the roadstead station. The observations included hydrological (level, water temperature, salinity, turbidity and currents) and hydrochemical (oxygen, pH, nutrients) parameters. The content of suspended solids in addition to water was also determined in ice cores, the thickness of which varied in the range of 0,4-0,6 meters. The range of salinization of the waters of the mouth of the river. Solza in winter low-water period full tidal cycle is 2-3 km. The maximum salinity in the river delta reached 10,7 ‰, the mineralization of river waters was 110 mg / l. The content of suspended matter in estuary waters was low and fluctuated in the range of 1,6-3,2 mg / l. The maximum concentration of suspended matter was noted at the sea border of the river delta. The content of suspended matter in ice cores had a different character. Its concentrations in ice were significantly higher (up to 10,7 mg / l), and their maximum was recorded at the top of the river delta. For the content of mineral salts in the mouth of the river, a picture was noted that was not typical for the zones of mixing of river and sea waters – their concentrations linearly increased as the estuarine waters became saline. It is assumed that the spatial structure of the marginal filter in the winter period differs markedly from the characteristics observed in other seasons of the river estuaries with microtidal conditions and shallow estuarine nearshore areas. It is emphasized that in the presence of ice, various stages of the marginal filter on such water bodies begin to practically concentrate in one area – on the sea border of the river mouth area.
White Sea
river mouth
Solza
hydrology
hydrochemistry
tide
marginal filter
1. Lisitsyn A.P. Oceans marginal filter // Okeanologiya. 1994. V. 34. No. 5. P. 735–747 (in Russian).
2. Khomenko G.D., Leschev A.V., Korobov V.B. Peculiarities of the hydrological regime of the estuarine areas of small rivers of the White Sea (according to the data of expeditionary observations in 2010–2012) // Geologiya morey i okeanov: materialy XX Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii (Shkoly) po morskoy geologii. V. III. M., 2013. P. 266–268 (in Russian).
3. Korobov V.B. Study of the regime of estuarine areas of the rivers of the White Sea // Geologiya morey i okeanov: materialy XXI Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii (Shkoly) po morskoy geologii. V. III. M., 2015. Р. 199–202 (in Russian).
4. Ruzhnikova N.N., Miskevich I.V. Assessment of the role of small rivers in the geochemical processes of the White Sea // Geologiya morey i okeanov: materialy XXIII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii (Shkoly) po morskoy geologii. V. III. M., 2019. P. 217–220 (in Russian).
5. Gordeev V.V. Geochemistry of the river-sea system. M.: IP Matushkina I.I., 2012. 452 p. (in Russian).
6. Shevchenko V.P., Filippov A.S., Novigatskiy A.N., Gordeev V.V., Goryunova N.V., Demina L.L. Dispersed sedimentary matter of freshwater and sea ice // Sistema Belogo morya. V. II. Vodnaya tolshcha i vzaimodeystvuyushchiye s ney atmosfera, kriosfera, rechnoy stok i biosfera / Otv. red. Lisitsyn A.P., red. Nemirovskaya I.A. M.: Nauchnyy mir, 2012. P. 169–200 (in Russian).

Согласно модели маргинального фильтра, разработанной академиком А.П. Лисицыным [1], в устьях рек геобиохимические процессы по мере возрастания солености формируют три последовательные зоны – мутьевую, химическую и биологическую «пробки». Однако данная модель была разработана на основе исследований характеристик устьев больших незамерзающих рек или в периоды отсутствия на них ледового покрова. Как показали исследования Северо-Западного отделения Института океанологии РАН (СЗО ИО РАН) [2–4], пространственная структура маргинального фильтра в устьях малых рек приливных морей может заметно отличаться от картины, наблюдаемой в устьях больших рек. При этом наименее изученной остается ситуация с формированием такого фильтра в зимний период при наличии льда.

Таблица 1

Координаты станций наблюдений в устье р. Солзы в апреле 2021 г.

Номер

станции

Расстояние от морской

границы дельты реки, км

Координаты (градусы)

сев. широта

восточ. долгота

0

64,546358

39,575725

1

64,543463

39,562078

2

64,537473

39,553158

3

64,530793

39,543134

4

64,521795

39,539461

В настоящей статье приведены результаты исследований устья малой реки Солза в Белом море зимой 2021 г., позволяющие сделать определенный вклад в решение данной проблемы.

Целью проведенных исследований было определение специфики формирования структуры маргинального фильтра в микроприливном устье реки с мелководным устьевым взморьем при наличии ледового покрова.

Материалы и методы исследования

Экспедиция в устье реки Солза проводилась в конце зимней межени 5–6 апреля 2021 г. Координаты станций, на которых были выполнены наблюдения, приведены в табл. 1.

В состав наблюдений входили:

− синхронные измерения температуры воды, солености (минерализации), кислорода, величины рН с помощью многопараметрического анализатора жидкости Multi 3420 фирмы WTW (Германия), а также отбор проб воды для определения содержания взвеси и биогенных веществ на поверхностном горизонте на трех створах в малую воду и на пяти створах в полную воду приливного цикла;

− полусуточная серия наблюдений с дискретностью 0,5 ч с измерением уровня, температуры воды, солености, мутности, направления и скорости течений на придонном горизонте при использовании зонд-регистратора SeaGuard RCM SW фирмы ААNDERAA (Норвегия), установленного на шесте на створе 2 км выше морской дельты реки (станция 3с);

− отбор проб ледяных кернов на пяти створах для определения содержания в них взвешенных веществ.

Пробы воды для определения взвешенных веществ отбирались в чистые пластиковые бутылки ёмкостью 1,5 л для дальнейшей фильтрации. Выделение взвеси проводилось методом мембранной ультрафильтрации под вакуумом через чистые обработанные 4 %-ной соляной кислотой и тщательно промытые бидистиллированной водой ядерные фильтры диаметром 47 мм и диаметром пор 0,45 мкм. Их взвешивание осуществлялось на электронных лабораторных весах «Adventurer Pro» model RV214 фирмы «OHAUS Europe» (Швейцария). Количество содержания взвеси в профильтрованном объёме воды (мг/л) определялось как среднее значение разностей между конечным и начальным весом каждого из трёх фильтров.

При определении биогенных элементов пробы воды предварительно фильтровались через ядерные фильтры диаметром 47 мм с диаметром пор 0,45 мкм. Их концентрации измерялись на спектрофотометре модели DR3900 фирмы «HACH-LANGE» (Германия). Для определения фосфатного фосфора применялся модифицированный метод Морфи – Райли. Анализ проб воды на содержание кремния (силикатов) проводился колориметрическим методом по голубому кремнево-молибденовому комплексу (метод Королёва). Определение концентрации нитритной формы азота осуществлялось по методу, основанному на взаимодействии нитрита с сульфаниламидом и α-нафтилэтилендиамином солянокислым. Метод определения концентраций нитратной формы азота использовал восстановление нитратов до нитритов в кадмиевых колонках, в качестве восстановителя применялся металлический кадмий, а комплексующего агента – трилон Б.

Результаты исследования и их обсуждение

Устье малой реки Солзы в геоморфологическом отношении разделяется на устьевое взморье, выходящее в Двинский залив, небольшую малорукавную дельту протяженностью около 2 км и устьевой участок реки с малоизменяемой шириной русла водотока длиной в несколько километров. Здесь необходимо напомнить, что под малой рекой в соответствии с ГОСТ 19179-73 «Гидрология суши. Термины и определения» принято понимать «реку, бассейн которой располагается в одной географической зоне, и гидрологический режим ее под влиянием местных факторов может быть нехарактерен для рек этой зоны». Глубины здесь небольшие, и на малой воде приливного цикла они преимущественно не превышают 1 м. На этом водном объекте, как и в устье реки Северная Двина, тоже впадающей в вершину Двинского залива, наблюдаются микроприливные условия, когда средняя величина прилива в сизигию не превышает 1,6 м. Толщина льда на станциях наблюдений колебалась в интервале 0,4–0,6 м при минимальной величине на морской границе дельты. Здесь следует заметить, что какие-либо сведения в научной литературе об экосистеме устья р. Солзы отсутствуют.

Анализ полученных результатов (табл. 2–4) позволяет предположить следующее. Приливная волна зимой при заходе в дельту реки из-за её большой мелководности претерпевает большую трансформацию. Уже на створе 2 км выше её морской границы продолжительность фазы прилива становится крайне малой (менее 1 ч), а его величина составляет всего 0,1 м, тогда как табличное значение величины прилива на морской границе дельты достигало 0,9 м. При этом припай на устьевом взморье реки в Двинском заливе отсутствовал.

Спецификой осолонения вод устья р. Солзы в зимнюю межень является трансформация временной изменчивости солености, обычно представленной квазисинусоидальной формой, в «импульс» с короткими фазами увеличения и уменьшения солености устьевых вод. Дальность осолонения вод устья р. Солзы в зимнюю межень следует признать незначительной. Она на полной воде приливного цикла составляет 2–3 км. Содержание взвеси в устьевых водах было низким и колебалось в диапазоне 1,6–3,2 мг/л (табл. 2, 3).

Таблица 2

Результаты полусуточной серии гидрологических наблюдений на придонном горизонте на рейдовой станции 3с в устье р. Солзы 5 апреля 2021 г.

Дата

Время

Н, м

t °С

Мутность,

усл. ед.

S, ‰

V, см/с

V, °

1

05.04.2021

14:30

1,12

-0,02

0,127

0,021

9,3

356,1

2

05.04.2021

15:00

1,10

-0,02

0,127

0,021

10,7

3,7

3

05.04.2021

15:30

1,09

-0,02

0,122

0,021

9,6

2,3

4

05.04.2021

16:00

1,08

-0,02

0,118

0,021

10,8

358,0

5

05.04.2021

16:30

1,07

-0,02

0,118

0,022

8,4

356,7

6

05.04.2021

17:00

1,06

-0,02

0,117

0,022

9,9

351,3

7

05.04.2021

17:30

1,04

-0,03

0,115

0,023

10,0

7,3

8

05.04.2021

18:00

1,03

-0,03

0,115

0,022

8,8

351,8

9

05.04.2021

18:30

1,03

-0,04

0,115

0,025

10,2

354,9

10

05.04.2021

19:00

1,02

-0,04

0,125

0,024

8,4

3,3

11

05.04.2021

19:30

1,01

-0,05

0,119

0,026

8,1

357,5

12

05.04.2021

20:00

1,01

-0,05

0,113

0,023

7,4

341,5

13

05.04.2021

20:30

1,01

-0,05

0,116

0,024

7,9

355,8

14

05.04.2021

21:00

1,01

-0,05

0,117

0,023

9,5

359,2

15

05.04.2021

21:30

1,01

-0,05

0,118

0,026

7,7

354,2

16

05.04.2021

22:00

1,01

-0,05

0,114

0,025

2,9

32,0

17

05.04.2021

22:30

1,02

-0,05

0,111

0,026

1,7

325,3

18

05.04.2021

23:00

1,02

-0,05

0,119

0,03

7,5

210,3

19

05.04.2021

23:30

1,13

-0,07

0,121

0,333

4,4

211,5

20

06.04.2021

0:00

1,12

-0,11

0,128

0,021

5,0

200,4

Таблица 3

Результаты гидролого-гидрохимических наблюдений на поверхностном горизонте вдоль устья р. Солзы 5 апреля 2021 г.

Показатель

Створы, км

0

1

2

3

4

Малая вода (17–05)

Соленость, ‰

1,9

1,7

0,12

Взвесь, мг/л

2,8

2,1

2,0

Величина рН

7,50

7,40

7,21

Кислород, мг/л

12,66

12,87

13,53

Кислород, %

107,1

103,7

106,3

Кремний, мкг/л

1581

1561

1839

Фосфор фосфатный, мкг/л

7,6

6,4

6,1

Фосфор общий, мкг/л

21,7

19,1

18,0

Нитритный азот, мкг/л

3,2

2,5

2,9

Нитратный азот, мкг/л

53,0

58,0

41,7

За 1 час до полной воды (23–14)

Соленость, ‰

10,7

9,3

0,18

0,11

0,11

Взвесь, мг/л

2,3

2,1

1,6

1,5

3,2

Величина рН

8,17

7,97

7,65

7,88

7,92

Кислород, мг/л

12,51

12,84

13,34

13,54

13,74

Кислород, %

95,3

98,1

108,3

108,6

104,

Кремний, мкг/л

2398

2101

1542

1928

1969

Фосфор фосфатный, мкг/л

12,5

11,6

6,4

6,4

5,5

Фосфор общий, мкг/л

20,0

21,4

26,5

24,2

20,8

Нитритный азот, мкг/л

2,9

2,4

3,2

3,4

3,1

Нитратный азот, мкг/л

186,1

157,2

30,2

38,9

39,9

Таблица 4

Характеристика содержания взвеси в кернах льда в устье р. Солзы в апреле 2021 г.

Параметр

Створы, км

0

1

2

3

4

Толщина льда, м

0,38

0,48

0,57

0,55

0,46

Концентрация взвеси, мг/л

4,7

7,2

10,8

1,6

1,3

Максимальная концентрация взвеси отмечалась на морской границе дельты реки, где наблюдается наибольшая величина прилива, способная вызвать взмучивание донных отложений. Однако содержание взвешенных веществ в кернах льда вдоль устьевого водотока имело иной характер. Во-первых, их концентрации во льду были значительно выше (до 10,7 мг/л), во-вторых, максимум его загрязненности взвесью отмечался не на морской границе дельты, а в её вершине (створ – 2 км выше морской границы дельты). Такой максимум быстрее всего соответствует центру мутьевой пробки маргинального фильтра, которая формируется в период конец осени – начало зимы.

Обращает на себя внимание высокое содержание в устье р. Солзы кислорода. Перенасыщением вод этим газом здесь достигало 107–109 %. Это, с одной стороны, обусловлено отсутствием припая на примыкающей к нему акватории Двинского залива, с другой стороны, наличием плотины и перекатов выше по реке, обеспечивающих хорошую аэрацию речных вод, а также наличием больших запасов питательных веществ для ранневесенней вегетации фитопланктона.

Для содержания минеральных солей в устье реки зафиксирована нехарактерная для зон смешения речных и морских вод картина – их концентрации возрастали по мере осолонения устьевых вод. В монографии В.В. Гордеева [5], в которой приведен наиболее полный обзор связей биогенных веществ с соленостью в устьях различных рек, подобные зависимости отсутствуют. Такие связи отсутствуют и в рядом расположенном устье р. Северной Двины [6]. Наиболее вероятной причиной аномального распределения фосфатов и нитратов в устье р. Солзы является их поступление из донных отложений на очень мелководном устьевом взморье реки за счет нарушения их целостности приливными течениями и приливными подвижками льда.

В свою очередь, обогащение солями фосфора и азота донных отложений устьевого взморья р. Солзы, очевидно, происходит в осенний период за счет дренажного стока с территории одноименной деревни, расположенной непосредственно в устье реки. Также не исключается вклад в процесс обогащения донных осадков биогенными солями сброса стоков Солзенского производственно-экспериментального лососевого завода, расположенного выше по реке.

Формирование заметных отличий структуры маргинального фильтра в устье р. Солзы от параметров, предусмотренных классической моделью академика А.П. Лисицына, можно связать с влиянием граничных условий на разделах вода – берег, вода – дно и вода – лед при наличии величины прилива, сопоставимой с глубиной устьевого водотока. Такое влияние охватывает всю водную толщу в зоне смешения речных и морских вод. В устьях больших и средних рек подобная картина, как правило, не наблюдается из-за наличия большой ширины устьевого водотока и значительных глубин.

В устьях малых рек вышеуказанные условия не позволяют маргинальному фильтру получать продольное развитие, при котором протяженность каждой из трех «пробок» фильтра достигает нескольких километров и даже нескольких десятков километров. В устьях малых рек тенденция к концентрации мутьевой, химической и биологической «пробок» на одном локальном участке водотока в зимний период формирует специфический характер массопереноса вещества из реки в море, который в настоящее время практически изучен. С другой стороны, достоверная информация об этом процессе в зоне смешения речных и морских вод имеет большую практическую значимость, например, для выбора створа сброса сточных вод, и поэтому исследования в данном направлении должны получить дальнейшее развитие.

Заключение

Таким образом, можно предположить, что в устьях рек с микроприливными условиями и мелководным устьевым взморьем пространственная структура маргинального фильтра в зимний период заметно отличается от характеристик, наблюдаемых в другие сезоны года. При этом при наличии льда различные стадии маргинального фильтра начинают практически концентрироваться на одном участке – на границе устьевого участка реки и её устьевого взморья.

Исследования проведены в ходе выполнения государственного задания по теме «Современные и древние донные осадки и взвесь Мирового океана – геологическая летопись изменений среды и климата: рассеянное осадочное вещество и донные осадки морей России, Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов – литологические, геохимические и микропалеонтологические исследования; изучение загрязнений, палеообстановок и процессов в маргинальных фильтрах рек» № 0128-2021-0006.