Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

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.

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.

Таблица 3

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

Таблица 4

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

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.