Наблюдаемое в последние десятилетия потепление климата в западном секторе российской Арктики должно повлечь за собой усиление приливных явлений в Печорском и в Карском морях за счет снижения площади ледового покрова, который может значительно уменьшать величину прилива. В данной ситуации можно ожидать формирование мезоприливных условий в устьях ряда средних и малых рек, оси которых ориентированы в меридиональном направлении, которое совпадает с направлением движения приливной волны, формирующейся в центральной части Северного Ледовитого океана.
Под мезоприливными эстуариями принято понимать такие устья рек, на взморьях которых в сизигию величина прилива превышает 1,6 м, но остается меньше 2,6 м. К сожалению, подобные водные объекты на арктической территории России изучены крайне слабо, особенно остается не освещенным в научном плане состояние их биогеоценозов в зимнюю межень. В зарубежной литературе данная тема также недостаточно освещена. Существующие работы главным образом направлены на изучение многолетних изменений стока рек [1], изменений количества переносимого реками материала вследствие изменения климата, либо рассматриваются реки без эстуариев [2]. Подобного рода исследования были проведены коллективом Северо-западного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН на малых реках Белого моря [3, 4]. Результаты исследования, представленные в настоящей статье, можно рассматривать как определенный шаг к решению данной проблемы. Целью работы является исследование специфики формирования маргинального фильтра реки Индиги, впадающей в Баренцево море, в мезоприливных условиях, в зимнюю межень.
Индига впадает в Индигскую губу в юго-восточной части Баренцева моря на западной границе Печорского моря. Она попадает в категорию так называемых средних рек, имеет длину 193 км и площадь водосбора, равную 3790 км². Средняя величина прилива в сизигию на ее устьевом взморье составляет 2 м. Зимой она заметно снижается из-за влияния ледового покрова в эстуарии.
Материалы и методы исследования
Исследование зимнего режима рассматриваемого водного объекта проводилось в марте 2023 года. Расположение комплексных гидрологических станций показано на рисунке 1, а их координаты представлены в таблице 1.
На станции 2и пробы воды отбирали в малую и полную воды приливно-отливного цикла, на станции 1и – в полную воду, на станции 3и – в малую воду.
Температуру воды, соленость (минерализацию) и содержание кислорода определяли с помощью многопараметрического анализатора жидкости Multi 3420 фирмы WTW, величину рН – с помощью рН-метра Марк-903. Выделение взвеси проводили методом мембранной ультрафильтрации под вакуумом через чистые (обработанные 4%-ной соляной кислотой и тщательно промытые бидистиллированной водой) ядерные фильтры. Предварительное взвешивание ядерных фильтров осуществляли на электронных лабораторных весах «Adventurer Pro» model RV214 (производства фирмы «OHAUS Europe», со специальным классом точности и ценой деления 0,1 мг). Использовали ядерные фильтры (диаметр – 47 мм, диаметр пор – 0,45 мкм), изготовленные в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Определение биогенных веществ осуществляли фотометрически в соответствии с руководящими документами: РД 52.24.419-2019; РД 52.10.738-2010; РД 52.24.381-2017; РД 52.10.745-2020; РД 52.10.744-2020; определение параметра ХПК – в соответствии с ГОСТ 31859-2012 на спектрофотометре HACH DR 3900.
Таблица 1
Координаты станций в эстуарии р. Индиги в марте 2023 г.
|
Номер станции |
Координаты |
Примечания |
|
|
с.ш. |
в.д. |
||
|
1и |
67,68410⁰ |
48,87718⁰ |
м. Тонтой |
|
2и |
67,65178⁰ |
49,03230⁰ |
п. Индига |
|
3и |
67,57954⁰ |
49,08174⁰ |
о. Сорванный |
Рис. 1. Карта-схема комплексных гидрологических станций в эстуарии р. Индиги в марте 2023 г.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты проведенных наблюдений рассматривались в рамках модели маргинального фильтра устьев рек, предложенной академиком А.П. Лисицыным [5]. В соответствии с данной моделью, зону смешения речных и морских вод (или маргинальный фильтр) делят на 3 части: пресноводную (соленость до 1‰), соловатоводную (от 1 до 20–30‰) и соленую (более 30‰).
Его наиболее важные процессы происходят во второй его части – соловатоводной. Так, при увеличении солености образуются три последовательные зоны (ступени): 1) гравитационная (мутьевая «пробка») с аномально высокими концентрациями взвешенных веществ по причине развития процессов их коагуляции; 2) коагуляционно-сорбционная (химическая «пробка»), где происходят флокуляция органики и сорбция из воды растворенных металлов; 3) биологическая, в которой при просветлении водной толщи благодаря первым двум ступеням происходит развитие фитопланктона, который, в свою очередь, обеспечивает питание зоопланктона – организмов-фильтраторов. Тем не менее, в некоторых случаях три ступени маргинального фильтра могут располагаться и в других его частях – пресноводной и соленой. Так, например, в Белом море в устьевой области р. Северной Двины (наиболее хорошо изученной) гравитационной ступени соответствует интервал солености в 0,5–5‰, коагуляционно-сорбционной – 5–20‰ и биологической – соленость более 20‰ [6, с. 276]. Результаты обработки проб воды, отобранных в зимнюю межень 2023 г на р. Индиге, показаны в таблице 2.
Исследование маргинального фильтра эстуария р. Индиги, проведенное в летнюю межень 2022 года, показало следующее [7]. Гравитационная ступень здесь располагается в интервале солености менее 5‰, а коагуляционно-сорбционная ступень – в диапазоне 5–30‰. При этом биологическая ступень маргинального фильтра вытесняется из эстуария в Индигскую губу на акваторию с соленостью более 30‰ и глубинами более 15–20 м. Однако наилучшие условия для массового развития планктона наблюдаются в лагунных озерах с наличием солоноватых вод, которые располагаются на приморских заливных лугах (лайдах).
Рис. 2. Графики связи солености с концентрацией взвешенных веществ и кислородонасыщением (а), параметрами ХПК и рН (б), концентрациями нитритного и нитратного азота (в), растворенного кремния и фосфатного фосфора (г) в эстуарии р. Индиги в марте 2023 г.
Таблица 2
Гидролого-гидрохимическая характеристика вод эстуария р. Индиги в марте 2023 г.
|
Показатель |
Номер станции (фаза прилива) |
|||||||
|
1и (ПВ) |
2и (ПВ) |
2и (МВ) |
3и (МВ) |
|||||
|
Горизонт, м |
1,0 |
5,0 |
1,0 |
8,0 |
1,0 |
7,0 |
1,0 |
2,5 |
|
Температура воды, °С |
–1,9 |
–1,9 |
–1,2 |
–1,5 |
–1,0 |
–1,0 |
–0,1 |
–0,1 |
|
Соленость, ‰ |
29,4 |
29,8 |
16,6 |
21,9 |
12,6 |
12,9 |
0,1 |
0,3 |
|
Кислород, мг/л |
14,44 |
14,64 |
11,54 |
12,51 |
11,05 |
10,49 |
9,41 |
9,51 |
|
Кислород, % |
93,5 |
94,7 |
76,3 |
82,0 |
74,1 |
70,5 |
64,7 |
65,1 |
|
рН |
8,41 |
8,44 |
8,05 |
8,15 |
7,92 |
7,89 |
7,96 |
7,98 |
|
Концентрация взвешенных веществ, мг/л |
9,48 |
8,58 |
10,37 |
8,44 |
9,78 |
12,81 |
22,1 |
12,0 |
|
Фосфатный фосфор, мкг/л |
13,5 |
13,5 |
10,5 |
11,6 |
8,3 |
8,3 |
5,3 |
3,8 |
|
Нитритный азот, мкг/л |
1,10 |
1,51 |
2,75 |
2,33 |
2,61 |
2,33 |
0,82 |
0,69 |
|
Нитратный азот, мкг/л |
99,5 |
88,0 |
101,4 |
82,1 |
80,1 |
74,7 |
87,5 |
21,8 |
|
Кремний, мкг/л |
667 |
620 |
1979 |
1495 |
2203 |
2448 |
2974 |
2573 |
|
ХПК, мгО/л |
85,5 |
83,1 |
89,0 |
85,3 |
75,2 |
75,0 |
15,5 |
15,6 |
Графики связи с соленостью концентрации взвешенных веществ и гидрохимических параметров в эстуарии р. Индиги в зимнюю межень 2023 года показаны на рисунке 2.
Результаты анализа полученной информации указывают на то, что структура маргинального фильтра эстуария в зимнюю межень с формальной точки зрения сходна с ее структурой в летнюю межень. Гравитационная ступень располагается в зоне устьевых вод с соленостью менее 5‰, а коагуляционно-сорбционная ступень занимает диапазон 5–30‰.
Однако процессы, происходящие на этих ступенях маргинального фильтра, зимой приобретают иной характер. В первую очередь, исчезает влияние гидробиологических процессов, о чем, в частности, свидетельствуют наличие линейной связи между соленостью и фосфатным фосфором, а также более низкое по сравнению с летней меженью кислородонасыщение эстуарных вод (65–94%). Связь между содержанием взвешенных веществ, концентрации которых становятся на порядок ниже, чем в летнюю межень, и распределением солености становится квазилинейной.
В зоне коагуляционно-сорбционной ступени появляются дополнительные внутриэстуарные источники поступления в водную среду органики, идентифицируемой по параметру ХПК, а также минеральных солей азота (нитритов и нитратов) и кремния.
Наиболее вероятной причиной их появления служит разгрузка иловых вод при приливных деформациях ледовым покровом донных отложений приморских лугов. На их территориях ледовый покров в малую воду приливно-отливного цикла опускается на луговой почвенно-растительный покров и частично примерзает к нему. В полную воду прилива при вертикальных и горизонтальных подвижках лед всплывает, сильно деформируя почвенно-растительный покров, насыщенный иловыми водами, обогащенными детритом и продуктами минерализации органики, продуцируемой летом галофитами и планктоном. Следует заметить, что для кремния подобный процесс был ранее зафиксирован в макроприливных эстуариях Чёшской губы Баренцева моря [8, с. 21], но он не наблюдается в устьях больших рек [9, с. 55; 10].
Механизмы поступления в реки материала, образующегося в процессе таяния многолетнемерзлых пород, до конца не ясны, и, учитывая изложенное выше, возможно выдвинуть гипотезу, что в мезоприливных устьях арктических рек маргинальный фильтр осуществляет сортировку материала, освобождаемого при разрушении, на фоне наблюдаемого потепления климата многолетнемерзлых грунтов, по следующей схеме: растворенные вещества и часть мелкодисперсных частиц попадают в морские воды, основная часть нерастворенных частиц в основном аккумулируется внутри эстуария на приливных осушках и приморских лугах. Их попадание на открытую акваторию моря возможно лишь при аномально высоком речном паводке в весенний сезон или при сильных ветровых сгонно-нагонных явлениях редкой повторяемости с обеспеченностью не более 5%. При отсутствии подобных факторов низинные участки прибрежных зон приливных эстуариев арктических рек в настоящее время начинают постепенно заболачиваться.
Заключение
Таким образом, результаты проведенного исследования позволяют предположить, что маргинальный фильтр арктического мезоприливного эстуария в зимний период во многом зависит от процессов, происходящих на приливных осушках и приморских лугах под действием вертикальных и горизонтальных подвижек льда. При этом наблюдается переток растворенных веществ и мелкодисперсной взвеси органического происхождения, накопленных в экосистеме эстуария в летне-осенний период, на открытую акваторию моря. Данная ситуация наиболее характерна для устьев малых и средних рек, где площади соприкосновения между средами лед – донные отложения – галофиты получают наибольшую относительную протяженность.
Необходимо отметить, что возможно наличие и других источников материала, например антропогенного. Население поселка Индига составляет порядка 600 человек. Также возможно поступление веществ вместе с подземными водами. Так, на удалении около 1 км от точки 2и выше по течению реки Большая Щелиха был обнаружен ключ, соленость воды в котором составляла порядка 50 г/л.
Выдвинутые предположения носят предварительный характер, и для их подтверждения необходимо расширить геоэкологические исследования устьев малых и средних рек западного сектора российской Арктики, которые до настоящего времени остаются практически не изученными.