Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,976

Введение

В условиях изменяющегося климата важной задачей становится оценка гидрологического режима таких ключевых для северо-запада экосистем, как верховые болота. Выявлено [1; 2], что в ответ на изменения климатических характеристик могут трансформироваться гидрологические параметры болотных массивов – уровни болотных вод, глубина промерзания, расход стока и т.п., что в свою очередь влияет на формирование стока малых водотоков, питающихся преимущественно болотными водами.

В последнее время для решения гидрологических задач все чаще применяют изотопный метод, позволяющий идентифицировать не только генезис вод, но и условия их формирования [3-5]. Метод основан на изменении изотопного состава воды в разных процессах гидрологического цикла. В результате испарения или замерзания воды происходит фракционирование молекул воды по изотопам кислорода и водорода. Ряд наблюдений за вариациями изотопных параметров позволяет составить более полную картину гидрологического режима изучаемых объектов и выделить различные компоненты стока: осадки, подземные и поверхностные воды и др.

В связи с этим для оценки компонентов стока и уточнения водного баланса был выбран близкорасположенный к г. Архангельску типовой для региона болотный массив Иласский, обеспеченный большим количеством гидрометеорологических наблюдений [6, с. 29; 7].

Цель исследования: идентифицировать компоненты формирования стока Иласского болотного массива (далее – ИБМ) и его эволюцию на основании вариаций изотопных отношений воды в рамках гидрологического континуума «болото – малая река».

Материалы и методы исследования

Исследование проведено в Приморском районе Архангельской области на гидрологическом континууме ИБМ – река Черная, расположенном в заболоченной части таежных лесов. Исследуемый болотный массив обладает площадью 89 км2, возраст приблизительно 10–11 тыс. лет, сложен торфами слабой степени разложения на всю глубину залежи, подстилается озерно-ледниковыми отложениями (глины, пески) [6, с. 29; 8]. Постледниковый рельеф территории привел к заболачиванию территории по суходольному типу, что предопределило морфологию болота и омбротрофный тип питания [9]. В пределах массива выделены центральное плато с грядово-мочажинным комплексом, краевой склон с системой гряд, мочажин и озерков, трансгрессионная окраина [3; 6, с. 30]. Принадлежность ИБМ к типовым для региона верховым болотам южноприбеломорского типа [10] послужила причиной выбора массива в качестве объекта исследования.

Отбор проб воды проводился в период с сентября 2022 года по декабрь 2023 включительно, с различной периодичностью с учётом смены гидрологических циклов. Точки опробования были выбраны с учетом различных физико-географических особенностей каждого типового комплекса как болотного массива, так и за его пределами (рис. 1), поскольку морфология верховых болот оказывает прямое влияние на их гидрологические параметры [10; 11].

Рис. 1. Схема точек отбора проб Примечание: составлено авторами

Внутренние болотные воды (на рисунках – ВБВ) отбирались из гидрологических скважин, находящихся на разных микроландшафтных комплексах болота: грядово-озерковый комплекс (точка PZ 4), грядово-мочажинный комплекс (точка PZ 3), переходная зона (точка PZ 2), окрайка болота в лесной зоне (точка PZ 1). Воды грядово-озерково-мочажинного комплекса (на рисунках – ГОМк) были представлены, соответственно, поверхностными водами мочажин и озер. Трансформацию болотного стока прослеживали на примере двух водотоков, берущих начало в окраине ИБМ: левого притока реки Черной (точки I2-1 – I2-4), пополняющегося с грядово-озерково-мочажинного комплекса, и правого (точки I1-1 – I1-4), формирующегося «подповерхностными» болотными водами, а также в результирующей точке (I 1), где соединяются оба водотока, на расстоянии около трех километров после слияния. Как маркеры подземных вод (на рисунках - ПВ) исследованы грунтовые воды из скважины (точка S), пробуренной на глубину 5 м, и поселкового колодца (точка K), оборудованного на месте выхода напорных грунтовых вод путем самоизлива.

Пробы отбирались через мембранный фильтр с использованием стерильных шприцев и шприцевых насадок в герметично закрывающиеся пластиковые пробирки. До момента анализа пробы находились в холодильной камере. Изотопный состав воды измерен в Ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ на лазерном спектрометре Picarro L2130i. Использован стандарт VSMOW2. Аналитическая воспроизводимость измерений составила ±0.02 ‰ для δ18О и ±0.1 ‰ для δ2Н.

Результаты исследования и их обсуждение

В основе метода изотопных индикаторов кислорода-18 и дейтерия, примененного в данном исследовании и активно использующегося для решения различных задач [3; 5; 12] в гидрологии и климатологии, лежит постоянство общего количества стабильных изотопов δ2Н и δ18О в составе водных молекул при разнице их состава в водах различных фаз и генезиса. Существуют определенные закономерности накопления тяжёлых или легких изотопов кислорода и водорода при фракционировании воды в результате ее перехода в различные фазы (испарение, конденсация, замерзания), хорошо описанные в работах [13, с. 275; 14, с. 15]. Таким образом, при нанесении результатов анализов на стандартную диаграмму распределения изотопов δ18О и δ2Н, становятся видны тренды различных типов вод, а по их отклонению или расположению вблизи прямой изотопного состава атмосферных осадков – Глобальной линии метеорных вод (здесь и далее – ГЛМВ), уравнение которой имеет вид δD = 8δ18O + 10 [14, с. 23], – можно делать выводы о фракционировании воды, ее происхождении, возрасте и зависимости от различных факторов, таких как сезонность, географическая широта расположения объекта и высотность отбора проб [14, с. 21]. Для более точного анализа вод в различных широтах дополнительно принято использовать Локальную линию метеорных вод (здесь и далее - ЛЛМВ), которая отражает изотопный состав атмосферных осадков, характерных для того или иного климатического пояса и региона. Для Приморского района Архангельской области ЛЛМВ описана в [3] и использовалась для анализа в данном исследовании.

Максимальные и минимальные значения δ2Н и δ18О для разных типов исследуемых природных вод

Примечание: составлено авторами на основе данных, полученных в процессе исследования.

Рис. 2. Диаграмма соотношений δ18О-δ2Н Примечание: составлено авторами на основе данных, полученных в процессе исследования.

Результаты анализов на изотопный состав всех опробуемых типов вод, а также линии ГЛМВ и ЛЛМВ нанесены на диаграмму (рис. 2).

Распределение значений δ2Н и δ18О разных по генезису типов вод отражено в таблице.

Опираясь на закономерности распределения значений δ18О и δ2Н для различных типов вод [13, с. 274] в вышеуказанных диапазонах и их положение по отношению к линиям ГЛМВ и ЛЛМВ, можно проследить изменения фракционирования вод в разные фазы гидрологического режима, а также выявить предполагаемые источники питания и разгрузки для каждого типа природных вод, описанных в исследовании.

Хорошо просматривается на диаграмме сезонная зависимость для внутриболотных и поверхностных вод, которая выражается в распределении результатов анализа данных проб вдоль линий метеорных вод и их широком диапазоне в течение года (согласно вышеуказанным вариациям). Так, пробы зимнего сезона расположены в так называемой зоне замерзания, характеризующейся «облегченным» составом изотопов. Выше по линии располагаются весенние пробы внутриболотных вод и речного стока (включая начало стока), постепенно «утяжеляясь», что говорит о преимущественном питании стока в весеннее половодье талыми водами. Наблюдаемая разница между расположением на диаграмме поверхностных вод начала стока (исток у болота) и стока в лесной зоне объясняется дополнительной подпиткой реки грунтовыми водами в лесной зоне за пределами болотного массива, что подтверждается натурными наблюдениями и показаниями pH [15-17]. Согласно полевым наблюдениям, значительное количество подземных вод поступает в правый приток реки Черная до точки отбора I1-3 в неустановленном месте, что приводит к смешению изотопного состава и отображается на диаграмме – пробы речного стока имеют более «легкие» значения в сравнении с пробами начала стока.

В весенне-летний сезон внутренние болотные и поверхностные воды аппроксимируют к ЛЛМВ, что объясняется значительным вкладом дождевых осадков в их питание в этот период. Причем данные пробы сильнее «прижаты» к ЛЛМВ, чем к ГЛМВ, поскольку ЛЛМВ построена непосредственно по метеорным водам Северо-Западного региона [3]. Наиболее ярко выражена аппроксимация поверхностных вод к ЛЛМВ в осенний паводок – следы обильных дождевых осадков начала осеннего сезона. Внутриболотные воды с началом теплого периода и до наступления снеговых осадков ведут себя на диаграмме отлично от поверхностных: анализы данных проб более «тяжелые» и начинают скапливаться в так называемой зоне испарения, где сконцентрированы все пробы грядово-озерково-мочажинного комплекса. Это говорит о значительном вкладе испарения в водный баланс болотного массива, даже через растительный покров, в среднем с мая по сентябрь. Преобладание в этой зоне проб грядово-озерково-мочажинного комплекса объясняется более интенсивным испарением с открытой поверхности застойных вод озерков и мочажин, чем из внутриболотных вод, поскольку специфика болотной растительности способствует удержанию влаги внутри деятельного слоя в засушливый период [9].

Иначе выглядит сезонная зависимость для грунтовых вод: так, на диаграмме наблюдается распределение результатов анализа вод из скважины вдоль ГЛМВ, но с гораздо меньшим диапазоном в отличие от поверхностных и внутриболотных вод. Также наблюдается «отставание» сезонной зависимости проб от описанных выше зависимостей для речных и внутриболотных вод. Все это объясняется питанием данного типа вод путем инфильтрации с учетом замедленного цикла водообмена. Однако результаты анализов колодезных вод практически не показывают сезонной зависимости, имеют наименьший из всех типов вод диапазон вариаций, сконцентрированы в одной зоне – сдвинуты немного влево от ГЛМВ. Учитывая, что колодец наполняется напорными водами более глубокого водоносного горизонта, а концентрация изотопов находится в зоне «легких» изотопов, можно предположить их постледниковое происхождение, поскольку перевес в сторону более легких изотопов накапливается за счет чередования циклов замерзания и испарения [14, с. 19]. Как уже обозначено выше, постледниковый рельеф территории сказывается на ее гидрологии, однако речные и болотные воды за счет преимущественно атмосферного питания постоянно обновляются, в то время как грунтовые воды имеют более долгий цикл водообмена и, как следствие, отличающийся от других типов вод изотопный состав. Также оба типа подземных вод приурочены к ГЛМВ, что объясняется меньшим влиянием на них атмосферных осадков, чем на поверхностные воды.

Также благодаря данному методу есть возможность идентифицировать компоненты стока ИБМ, дополняя полевые наблюдения. Воды болотного массива формируются преимущественно за счет атмосферных осадков, накапливаясь частично в теле болотной залежи (внутренние болотные воды), частично формируя застойные воды в локальных понижениях (мочажинах) и озерках, которые в летний сезон подвергаются интенсивному испарению. Вода, удерживаемая в теле болотной залежи, также подвергается фракционированию и смешению изотопного состава на протяжении сезона, но более медленно, в отличие от воды, стекающей из болота и образующей речной сток.

За пределами болотной залежи сток формируется из разных источников питания. Ручьи, вытекающие с болота, протекают сначала через окраину залежи и затем уходят в лесную зону по разным руслам. При этом пробы из левого притока (начало стока, точки I2-1 – I2-2) больше коррелируют с составом внутренних болотных вод, что отображается на диаграмме, в то время как пробы речного стока правого притока реки Черная (точки, I1-3 и I1-4), расположенные в лесной зоне, несколько отличаются по изотопному составу. Здесь к болотному питанию совместно с атмосферным добавляется питание грунтовыми водами – это заметно по расположению анализов проб вод речного стока на диаграмме и по дополнительным результатам полевых измерений [15-17].

Признаков участия грунтовых вод в питании болотного массива не наблюдается.

Заключение

Анализ изотопного состава проб выявил характерные для каждого типа вод гидрологического континуума интервалы значений δ18О и δ2Н, что позволяет идентифицировать специфику их образования.

Установлено, что болотные воды имеют преимущественно атмосферное питание, средний изотопный состав внутренних болотных вод δ18О = -10,90‰ и δ2Н = -82,5‰, вод грядово-озерково-мочажинных комплексов δ18О = -7,08‰ и δ2Н = -66,40‰.

Установлена сезонная смена источников питания стоковых вод (метеорные воды в половодье и болотные воды в меженный период), средний изотопный состав стоковых вод δ18О = -11,73‰ и δ2Н = -88,55‰, выявлено дополнительное питание реки Черная грунтовыми водами за пределами болотного массива.

Не обнаружено явной связи между водоносными горизонтами грунтовых и болотных вод. Средний изотопный состав подземных вод δ18О = -14,11‰ и δ2Н = -102,59‰.

В процессе исследования изотопные данные дополнили результаты полевых наблюдений и подтвердили формирование стока с массива преимущественно внутренними болотными водами, показав при этом дополнительный подток грунтовых вод уже за пределами болота. При помощи распределения изотопов в разных зонах диаграммы удалось оценить вклад испарения и разгрузки болотных вод в общем гидрологическом цикле.

Использованный метод позволяет на качественном уровне оценивать соотношение того или иного типов питания поверхностных вод, при отсутствии данных классических гидрологических наблюдений на водном объекте. В связи с этим полученные данные необходимы при интерпретации элементного состава поверхностных вод и для дальнейших выводов об экологическом состоянии водного объекта. Таким образом, результаты исследования могут быть использованы для оценки и контроля геоэкологического состояния территории.