книги / Метан в водных экосистемах
..pdfТ а б л и ц а 2 4
Содержание метана в воде и донных отложениях некоторых озёр
Озеро |
Пределы изменения содержания |
■Литературный |
|
|
метана |
источник |
|
|
в воде, мкл/л |
в донных осадках, |
|
|
|
мкг/г в.в. |
|
Байкал |
0,3-19,4 (2,6)* |
0,01-6,65 (0,52) |
[2511 |
Ладожское |
1,0-490,0 (7,1) |
0,01-175,0 (2,05) |
[258] |
Онежское |
0,5-2160.0 (2.5) |
|
данные авторов |
Ильмень |
0,5-74,3 (4.4) |
|
тоже |
Валдай |
0,2-1749 (14,5) |
0,2-218.2 (57,3) |
[260] |
Ужин |
1,5-56,5 (9,3) |
7,4-21,2 (13,2) |
тоже |
Тамбукан (г. Пятигорск) |
1,0-23,4 (7,7) |
0,03-8,17(0,42) |
[252] |
Ледовое (г. Мурманск) |
2,0-312,2 |
|
данные авторов |
Мурма (Астраханская обл.) |
11,6 |
|
тоже |
Атаманское (Ростовская обл.) |
360,0 |
|
тоже |
Чёртово (Азовское море) |
2,7-198,7 (26,5) |
0,28-9,0 (4,02) |
[251] |
Мёртвое |
13,0 |
|
тоже |
Голое (Ростов н/Д) |
1,8-9300,0 |
|
тоже |
Вшивое (Ставропольский край) |
4,9-7,8 (6,4) |
|
тоже |
Грин (о.Рауль, Тихий океан) |
0,8-1,24 |
- |
[230] |
Полянского (Антарктида) |
1357,0 |
42,0 |
[53] |
Савельевское |
0,03-85,0 |
2,8-19,6 |
[156] |
Глубокое |
0,05-4,9 |
0,91-2,52 |
тоже |
Гарда (Италия) |
7,14 |
- |
[330] |
Тундровые озёра |
0,2-2,2 (1,0) |
0,0015-5,13 (2,32) |
[56] |
Мендота, США |
- |
0,02-6,93 |
[377] |
Мичиган, США |
- |
6,4-9,6 |
[1841 |
Озеро-фиорд Нитинат |
0,86-160 |
- |
_____ [359]_____ |
|
|
|
* в скобках - среднее значение
до 6,0 мкл/л - 16 % проб. В оз. Байкал в диапазоне до 4,0 мкл/л на ходилось 97 % значений. В мезотрофно-эвтрофных озёрах (напри мер, Валдай и Ильмень) увеличивается доля значений выше 10,0 мкл/л. Однако, к примеру, в период осенней и весенней циркуляций содержание метана в таких озёрах может сильно понижаться, вплоть до значений менее 1,0 мкл/л.
Анализ, имеющихся материалов показал, что значения содер жания метана меньше 1,0 мкл/л характерны: 1) для поверхностных слоёв олиготрофных озёр; как правило, эти значения фиксируются на значительном удалении от береговой линии, устьев рек и других источников поступления аллохтонного органического вещества; 2) для открытых районов олиготрофных и неглубоких мезотрофных озёр в период осенней и весенней циркуляции.
Содержания метана в воде озёр, близкие к 10,0 мкл/л и более, характерны: 1) для прибрежных районов, где распространены илы; 2) для районов впадения загрязнённых рек и ручьёв; 3) для районов,
in
на побережье которых расположены населённые пункты, промыш ленные предприятия и другие источники загрязнения.
Аномально высокие концентрации (> 100,0 мкл/л) наблюдаются: 1) вблизи крупных источников загрязнения (вблизи сброса промыш ленных и хозяйственно-бытовых сточных вод или вблизи впадения сильно загрязнённых рек); 2) в мезотрофных и эвтрофных озёрах в периоды летней и зимней стагнации в районах распространения илов, богатых органическими веществами.
6 озёрах в зависимости от сезона вертикальное распределение метана может сильно изменяться. К концу осенней циркуляции кон центрация метана, как правило, незначительна и равномерно рас пределена по всему столбу воды. Исключение составляют озёра, в которых полная осенняя циркуляция захватывает не всё озеро, а лишь поверхностные слои.
Впериод зимней стагнации (подлёдный период), как правило, более высокие концентрации метана наблюдаются у дна, однако в неглубоких озёрах, в результате скопления у льда поступающих из донных отложений газовых пузырьков, количество метана в поверх ностном слое воды может быть выше, чем в придонном. Сразу по сле вскрытия таких озёр происходит высвобождение больших коли честв метана в атмосферу. Например, в оз. Белом в Косино [213] в 1м3 льда за зиму вмерзает до 12 л газа.
Так же, как и в осенний период, во время весенней циркуляции содержание метана снижается, градиент между поверхностными и придонными слоями незначительный или вообще отсутствует. В не которых озёрах концентрация метана- в поверхностном слое в дан ный период находится в равновесии с атмосферой.
Максимальный пик концентраций метана, в целом, приходится на период летней стагнации. При этом по вертикали может наблю даться как возрастание метана от поверхности к придонному слою, так и наоборот, более высокие концентрации фиксируются в по верхностном горизонте воды, что характерно для озёр Валдай и Ужин и некоторых других, имеющих ярко выраженный металимниальный минимум. Кроме этого, преобладание содержания метана в поверхностном слое может наблюдаться в весенне-летний период в районах поступления более тёплых речных вод, а также в районах сброса сточных вод.
Вотложениях изученных авторами озер, за исключением озёр Валдай и Ужин, преобладают величины менее 1,0 мкг/г в.в. В оз. Байкал на диапазон от 0,01 до 1,0 мкг/г в.в. приходится около 90 % всех отобранных проб, с преобладанием значений менее. 0,1 мкг/г
в.в.(55 % проб). В Ладожском озере величины содержания метана от 0,01 до 0,1 мкг/г в.в. составляют 50 % всех проб, однако сущест-
венно увеличивается доля проб, в которых содержания метана со ставляют более 1,0 мкг/г в.в. (около 30 % от всех проб). В отложени ях эвтрофирующихся озёр Валдай и Ужин содержания метана, за исключением одной пробы, отобранной на мелководье, превышали значения 1,0 мкг/г в.в., преобладали же величины более 10,0 мкг/г в.в. (76 % от всех отобранных проб). Огромные, по существу, со держания метана в отложениях этих озёр (максимум 218,2 мкг/г в.в.) связаны с сильно выраженными в них явлениями стагнации, наблю даемыми в период исследований (летний и зимний периоды). В Ла дожском озере выявленные в период наблюдений аномально высо кие концентрации метана (10,0-175,0 мкг/г в.в.) не связаны со стра тификацией водной толщи, а обусловлены мощным антропогенным загрязнением прибрежных районов шхер сточными водами целлю лозно-бумажных предприятий. Все эти высокие значения наблюда лись в непосредственной близости от источников загрязнения.
Как правило, для всех типов водных экосистем, в том числе и для озёр, минимальные содержания метана приурочены к зонам с активной гидродинамической обстановкой, где распространены пес чаные осадки, в которых сообщество анаэробных бактерий часто подавлено вследствие хорошей вентилируемое™ этих осадков, по вышенного окислительно-восстановительного потенциала й боль шой насыщенности кислородом. И, наоборот, отмечается сущест венное повышение содержания метана на участках с застойным гидродинамическим режимом, где отлагаются илы. В районах, под верженных мощному антропогенному воздействию, наблюдается увеличение содержания метана в донных отложениях в десятки и более раз. В свою очередь, возрастание содержания метана в осад ках ведёт к повышению его концентраций в воде, о чём свидетель ствует наличие тесных корреляций (см. раздел 7.3).
Далее будут подробно рассмотрены особенности распределе ния и образования метана в озёрах Байкал, Валдай и Ужин, в озё рах бассейна Ладожского озера и в некоторых других изученных ав торами озёрах.
Бассейн Ладожского озера
Ладожское озеро имеет обширный бассейн, общая площадь ко торого составляет 280336 км2 [206]. В озеро стекают воды из Онеж ского озера (через р. Свирь) и ряда рек и озёр Карелии, из оз. Иль мень (через р. Волхов) и многочисленных рек Среднерусской равни ны, а также через р.Вуоксу осуществляется приток из оз.Сайма, расположенного в Финляндии.
Ладожское озеро относится к холодноводным водоёмам (летом температура на поверхности не превышает 19°С, глубже 50 м -
4,5°С) с замедленным водообменом (Кв = 0,06) и естественным ре жимом [77]. В начале 70-х годов озеро из типично олиготрофного водоёма превратилось в мезотрофный [10].
Площадь поверхности озера без островов 17836 км2, объём водной массы 904,7 км3, средняя глубина 51 м, наибольшая 230 м.
Изучение особенностей распределения метана в воде и донных осадках (0-2 см) Ладожского озера проводили в 1986-1988 гг. в семи съёмках, а именно в июне и августе 1986 г. марте, мае, июне, сен тябре 1987 г. и мае-июне 1988 г.
Для Ладожского озера, относящегося к внутренним водоёмам умеренной зоны, характерен полный годовой термический цикл. По особенностям внешнего водообмена озеро относится к аккумуля тивно-транзитному типу водоёмов с наличием основной водной массы, занимающей большую часть объёма озёрной котловины и первичных трансформированных водных масс, заполняющих при брежья и заливы. Гидрофизические свойства основной водной мас сы наиболее консервативны и мало меняются в течение года. По этому их изменение за ряд лет можно расценивать как показатель влияния наиболее существенных процессов, в том числе связанных с антропогенным эвтрофированием водоёма [131]. Первичные вод ные массы формируются в основном поступающими в озеро водами притоков. Им свойственно большое непостоянство размещения по акватории озера, а также гидрофизических характеристик в разные сезоны года.
По характеру рельефа дно озера делится на меньшую - север ную и большую - южную части. Линия, разделяющая водоём на две морфологически отличные области, проходит от устья р. Вуоксы к устью р. Видлицы. Батиметрическая модель [185] свидетельствует об обособленности северной части Ладожского озера от южной Ва лаамским архипелагом и группой островов. Связь водной массы се верной части озера с другими районами, как показал анализ тече ний [238], существует только при ветрах северных направлений. Рельеф в северной половине Ладожского озера весьма сложен. Здесь наряду с глубокими впадинами имеются возвышенности, ост рова из кристаллических пород. Большие глубины подходят близко к берегу. В северной половине озера, в её северо-западном углу, расположена зона наибольших глубин с преобладанием 100 м и бо лее. Южная половина Ладоги имеет спокойный рельеф. Глубина от берега увеличивается постепенно. Изобата 10 метров отступает от берега на 10-15 км [77]. В целом для озера глубины уменьшаются с севера на юг.
Сложная морфометрия Ладожского озера обусловливает фор мирование районов, контрастных по температурному режиму, опре-
деляет пространственно-временную неоднородность всех лимнических процессов. В табл.25 приведены данные по содержанию мета на в районах озера, отличающихся естественными характеристика ми, каждый из которых в разной степени испытывает антропогенное влияние: северный, западный, центральный и южный район, вклю чающий Волховскую и Свирскую губы, а также губу Петрокрепость (рис. 25).
Таблица 25
Содержание метана в воде и донных отложениях Ладожского озера, по материалам исследований 1986-1988 гг.
Район озера |
Содержание метана |
||
в воде, мкл/л |
в осадках, мкг/г |
||
|
|||
|
|
в.в. |
|
С е в е р н ы й ш х е р н ы й р а й о н : |
|
|
|
вблизи источников загрязнения |
3,3-490,0 (34,3) |
3,7-175,0(15,0) |
|
более 1 км от источников загрязнения |
0,5-68,5 (4,6) |
0,01-18,2 (2,03) |
|
р. Янис-йоки |
84,2-117,2 |
не определяли |
|
С е в е р н ы й о з ё р н ы й р а й о н |
1.0-3,8 (2,3) |
0,6-9,9 (5,0) |
|
Ц е н т р а л ь н ы й р а й о н |
0,5-1,8 (1,3) |
0,03-6,7 |
|
З а п а д н ы й П р и о з ё р с к и й р а й о н : |
|
|
|
р. Вуокса |
21,6-270,0 (90,0) |
не определяли |
|
вблизи устья р. Вуокса |
2,2-48,6 (12,2) |
0,59 |
|
более 3 км от устья р. Вуокса |
0,5-10,8 (2,3) |
0,02-0,18 (0,06) |
|
устье Щучьего залива |
2,5-2000,0 (5,0) |
0,27-1,23 (0,69) |
|
более 1 км от устья залива |
0,5-17,5 (4,7) |
0,02-0,74 (0,08) |
|
Ю ж н ы й р а й о н : |
|
|
|
р. Сясь |
22,4 |
не определяли |
|
р. Волхов |
21,0-43,2 (34,4) |
не определяли |
|
Волховская губа, вблизи устьев рек |
1,1-24,8(14,6) |
0,07-0,13 |
|
Волхов и Сясь |
0,5-15.8 (5,8) |
0,03-0,04 |
|
Волховская губа, на удалении от |
|||
устьев рек Волхрв и Сясь |
20,7 |
не определяли |
|
р. Свирь |
0,5-15,3(6,4) |
не определяли |
|
Свирская губа |
|||
Вблизи устья р. Морье |
0.5-1,9 (1,2) |
не определяли |
|
р. Нева, исток |
0,8-1,8 (1,2) |
0,02 |
|
р. Нева, ниже г. Петрокрепость |
5,6-59,0 (39,0) |
не определяли |
Исследование особенностей распределения метана в воде и донных осадках северного района проведены в период с 1986 по 1988 гг., в одно и то же время - в разгар биологической весны (май и начало июня). Содержание метана в донных осадках определя лось в поверхностном двухсантиметровом слое.
В северном районе принято выделять озёрный и шхерный рай оны.
отложениях северного шхерного района изменяется в широких пре делах: в районе г. Питкяранта в 3000 раз (от 0,01 до 30,1 мкг/г в.в.), в районе г. Лахденпохья в 735 раз (от 0,01 до 7,35 мкг/г в.в), а рай оне пгт. Ляскеля в 290 раз (от 0,60 до 175,0 мкг/г в.в.) и в районе г. Сортавала в 170 раз (от 0,06 до 10,1 мкг/г в.в.). Наиболее значи тельные концентрации метана наблюдались вблизи источников за грязнения (рис.26). Максимальное содержание было обнаружено в шхерном районе пгт. Ляскеля (175,0 мкг/г в.в.). В донных отложениях
р-нг. Лахденпохья |
12 |
|
|
р-н г. Сортавала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
0 |
а* 4 |
6 |
I |
10 12 14 14 II |
20 |
S.KU
ft |
5 |
10 13 20 23 30 И 40 4J |
0 |
1 |
3 |
J |
4 |
S |
é |
|
|
S, KM |
|
|
|
S, КЫ |
|
|
|
Рис. 26. Изменение содержания метана в донных осадках (0-5 см) Ладожского озера при удалении от источников загрязнения
(май-июнь 1988 г.)
зачастую наблюдалось неравномерное распределение метана, вы сокое его содержание фиксировалось на значительном расстоянии от источника загрязнения. Так, в районе г. Лахденпохья содержание метана на расстоянии 8,2 км от источника загрязнения резко увели чивалось и было таким же, как и на расстоянии менее 1 км от него. А в районе Сортавала, на расстоянии 6,0 -17,6 км от источника) со держание метана было несколько .выше, чем в точках, удалённых на 1,5-3,2 км. Неравномерное распределение метана в донных отло жениях связано с гидрологией, гидродинамикой и морфологией дна
бассейна, поскольку эти факторы определяют состав донных отло жений. По данным литолого-геохимического анализа донных отло жений исследуемых районов [158,159], накопление загрязняющих веществ происходит не только на участках вблизи источника загряз нения, но и на значительном удалении от него, в районах, где уве личивается содержание глинистой фракции, способной активно ак кумулировать загрязняющие вещества. Поэтому в распределении органического углерода и метана в шхерах и заливах озера не везде существует чётко выраженная связь между их концентрациями и расстоянием точки отбора от возможного источника загрязнения.
Северный озёрный участок разделяют на северо-западный глу боководный район (преобладают глубины свыше 100 м; здесь же отмечена наибольшая глубина озера - 230 м) и северо-восточный (глубина в отдельных случаях превышает 100 м, однако, в общем, глубины здесь меньше). Граница северо-западного глубоководного района проходит от северных шхер до о. Валаам и далее по линии о. Васинансари - Моторное. Естественной границей, отделяющей северо-восточный район озера от северо-западного, является уча сток дна с сильно расчленённым рельефом, вытянутый в меридиальном направлении от северных шхер к о. Валаам. На юге естест венной границей северо-восточного района являются Валаамские и Байевые острова, тянущиеся в широтном направлении к восточному берегу [218]. Резко расчленённый рельеф дна на архейпротерозойском кристаллическом фундаменте привёл к формиро ванию на севере Ладожского озера нескольких седиментационных бассейнов, имеющих непосредственную связь с узкими, глубоко врезанными в сушу заливами шхерного побережья. Каждый из таких бассейнов представляет собой котловину с мощным покровом лед никово-озёрных и озёрных осадков (до 10 и более метров), отде ляющуюся от других котловин грядообразными поднятиями. Под водные гряды препятствуют обмену осадочным материалом между отдельными котловинами, которые, таким образом, представляют своеобразные конечные водоёмы стока для локальных источников загрязнения - промышленных объектов Лахденпохья, Питкяранта, Сортавала, Приозёрска и других.
В озёрном районе (ст. 18,19,20,21,22,23) по линии, ограничи вающей северный озерный район от центрального, содержание ме тана в донных осадках было таким же высоким, как и в донных от ложениях вблизи источника загрязнения (0,6-9,9 мкг/r в.в.). Это свя зано с распространением зоны антропогенного загрязнения вглубь озера, что подтверждается наличием целлюлозоразрушающей и сульфатредуцирующей микрофлоры в некоторых точках этого раз реза [106]. Донные отложения в глубоководных точках представле
ны илами, визуально мало отличающимися по цвету и составу от илов шхерных районов. Высокие концентрации метана в глубоко водных осадках связаны с усилением антропогенной деятельности, но не только напрямую, как в шхерах, куда поступает органическое вещество от фиксированных источников, а и косвенно - через уве личение продуктивности озера и изменение его трофического уров ня.
В период исследований вблизи источников загрязнения, како выми являются населённые пункты и загрязнённые воды рек, со держания метана в водной толще характеризовались наиболее вы сокими величинами по сравнению со всеми другими районами (в среднем 37,8-74,4 мкл/л, максимум 321,9-420,0 мкл/л). На расстоя нии от источников загрязнения более 1,5-3,0 км содержание метана резко падает (до значений менее 10,8 мкл/л), в среднем составляя 1,2-3,4 мкл/л (табл.26).
Таблица 26 Содержание метана в воде северного шхерного района
в весенний период (май - июнь)
Расстояние от источников за |
1986 г. |
1937 г. |
1988 г. |
грязнения |
|
|
|
Вблизи источников |
7,9-102,0 (37,8) |
16,4-267,8 (74,4) |
2.3-490,0 (54,0) |
загрязнения |
|
|
|
На расстоянии более |
не определяли |
0,7-1,6 (1,2) |
1,0-10,8 (3,4) |
1,5-3,0 км от источников |
|
|
|
загрязнения |
|
|
|
• в скобкахсреднее значение |
|
|
|
На рис.27 показано, что вблизи источников загрязнения содер жания метана в поверхностном горизонте воды более высокие, чем в придонном. При удалении от источников загрязнения, наряду с уменьшением его концентраций в обоих слоях, наблюдается и их выравнивание. В придонной воде значения более 10,0 мкл/л отме чены в пределах до 1 км от источника загрязнения, в то время как поверхностные воды с повышенными содержаниями метана про слеживаются на более значительное расстояние - до 3,0-3,5 км.
Высокие содержания метана в воде вблизи побережья изучае мых шхер обусловлены, с одной стороны, диффузией и конвектив ным переносом (в виде пузырьков) метана из донных отложений, обогащенных органическими веществами различного происхожде ния, с другой стороны - непосредственным поступлением метана вместе с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными во дами городов и посёлков, расположенных на побережье, а также с водами некоторых загрязнённых притоков (Янис-йоки, Аура-йоки). Именно притоком более прогретых речных и сточных вод, содержа щих повышенные концентрации метана, и объясняется распределе-
раПон г. Сорп ила
- » — пов - |
- дно |
Рис. 27. Изменение содержания метана в поверхностной и придонной воде Ладожского озера при удалении от источника загрязнения
(май-июнь 1988 г)
ние метана по вертикали водного столба прибрежных участков в данный период: более тёплые и насыщенные метаном воды прито ков растекаются по более холодным водам шхер. Более высоким концентрациям метана в поверхностном слое, а также их распро странению на более значительное расстояние, чем в придонных во дах, может способствовать характерная для длинных вытянутых за ливов шхер двухслойная циркуляция, возникающая под воздействи ем сгонно-нагонных явлений [194-196]: при ветрах северных на правлений (имеют наибольшую силу в период открытой воды [77]) более тёплые прибрежные воды поверхностного слоя (эпилимниона) направлены к открытым районам озера, а в придонных горизон тах (гиполимнионе) возникают компенсационные течения, несущие холодные и менее насыщенные метаном воды к побережью. По на блюдениям А.Н. Охлопковой [194-196], в Якимварском заливе (г. Лахденпохья) максимальная скорость дрейфового течения достига ет 28 см/с, а компенсационного до 5-8 см/с. В Сортавальском шхер-