Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ МАРГИНАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ В ПРИЛИВНЫХ УСТЬЯХ МАЛЫХ РЕК В ЗИМНИЙ ПЕРИОД НА ПРИМЕРЕ РЕКИ СОЛЗА В ДВИНСКОМ ЗАЛИВЕ БЕЛОГО МОРЯ

Мискевич И.В. 1 Лохов А.С. 1 Чульцова А.Л. 1
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Приведены результаты исследований микроприливного устья малой реки Солза в Двинском заливе Белого моря в конце зимней межени (в начале апреля 2021 г.). Данный водный объект представляет собой малорукавную дельту с мелководным взморьем, где глубины на малой воде приливного цикла не превышают 1 м. Было выполнено два разреза вдоль устьевого водотока на полной и малой воде приливного цикла на пяти станциях и полусуточные наблюдения на рейдовой станции. В состав наблюдений входили гидрологические (уровень, температура воды, соленость, мутность и течения) и гидрохимические (кислород, рН, биогенные вещества) параметры. Содержание взвешенных веществ помимо воды также определялось в кернах льда, толщина которых колебалась в интервале 0,4–0,6 м. Дальность осолонения вод устья р. Солзы в зимнюю межень на полной воде приливного цикла составляет 2–3 км. Максимум солености в дельте реки достигал 10,7 ‰, минерализация речных вод составляла 110 мг/л. Содержание взвеси в устьевых водах было низким и колебалось в диапазоне 1,6–3,2 мг/л. Максимальная концентрация взвеси отмечалась на морской границе дельты реки. Содержание взвеси в кернах льда имело иной характер. Её концентрации во льду были значительно выше (до 10,7 мг/л), и их максимум был зафиксирован в вершине дельты реки. Для содержания минеральных солей в устье реки отмечалась нехарактерная для зон смешения речных и морских вод картина – их концентрации линейно возрастали по мере осолонения устьевых вод. Предположено, 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. Подчеркнуто, что при наличии льда различные зоны маргинального фильтра на таких водных объектах начинают практически концентрироваться на одном участке – на морской границе устьевого участка реки.
Белое море
устье реки
Солза
гидрология
гидрохимия
прилив
маргинальный фильтр
1. Лисицын А.П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 735–747.
2. Хоменко Г.Д., Лещев А.В., Коробов В.Б. Особенности гидрологического режима устьевых областей малых рек Белого моря (по данным экспедиционных наблюдений 2010–2012 гг.) // Геология морей и океанов: материалы XХ Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. III. М., 2013. С. 266–268.
3. Коробов В.Б. Исследования режима устьевых областей рек Белого моря // Геология морей и океанов: материалы XXI Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. III. М., 2015. С. 199–202.
4. Ружникова Н.Н., Мискевич И.В. Оценка роли малых рек в геохимических процессах Белого моря // Геология морей и океанов: материалы XXIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. III. М., 2019. С. 217–220.
5. Гордеев В.В. Геохимия системы река – море. М.: ИП Матушкина И.И., 2012. 452 с.
6. Шевченко В.П., Филиппов А.С., Новигатский А.Н., Гордеев В.В., Горюнова Н.В., Демина Л.Л. Рассеянное осадочное вещество пресноводных и морских льдов // Система Белого моря. Т. II. Водная толща и взаимодействующие с ней атмосфера, криосфера, речной сток и биосфера / Отв. ред. Лисицын А.П., ред. Немировская И.А. М.: Научный мир, 2012. С. 169–200.

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.


Библиографическая ссылка

Мискевич И.В., Лохов А.С., Чульцова А.Л. СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ МАРГИНАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ В ПРИЛИВНЫХ УСТЬЯХ МАЛЫХ РЕК В ЗИМНИЙ ПЕРИОД НА ПРИМЕРЕ РЕКИ СОЛЗА В ДВИНСКОМ ЗАЛИВЕ БЕЛОГО МОРЯ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 7. – С. 54-59;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37662 (дата обращения: 19.01.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074