книги / Метан в водных экосистемах

ном районе на поверхности отмечена скорость 36,3 см/с, а на глу­ бине 75 м наблюдались скорости компенсационного течения до 6,2 см/с. Эта циркуляция является важным фактором, определяющим водообмен между заливами и открытым озером и оказывающим влияние также и на внутренний водообмен в шхерном районе.

Относительно небольшая площадь распространения вод с повышеннь.1ми содержаниями метана в данный период (весной) связа­ на с формированием в результате интенсивного прогрева воды и неоднородности рельефа дна в озере фронта термического бара, который отделяет более нагретую воду прибрежной зоны от более холодной воды глубоководных районов озера. Условной границей раздела принимают изотерму 4° Существование фронтальной зоны обусловливает накопление первичных водных масс, формируемых преимущественно поступающими в озеро водами притоков в при­ брежных районах. По А.И. Тихомирову [241, 242], фронт термобара окаймляет озеро вдоль берегов и по мере нагревания постепенно перемещается в открытое озеро, а затем, когда вся водная масса озера приобретает температуру выше 4°С, исчезает. Считается, что термический бар является динамически устойчивым и не разруша­ ется дрейфовыми течениями, а разделяемые им водные массы ос­ таются изолированными друг от друга; однако, как отмечено в рабо­ те [185], обмен между ними может происходить с помощью вихре­ вых структур.

Следует добавить, что во все лимнические периоды процесса­ ми, препятствующими распространению насыщенных метаном при­ брежных вод на более значительные расстояния, являются окисле­ ние метана и его эмиссия в атмосферу. При исчезновении термоба­ ра, вероятно, важную роль в снижении концентраций метана приоб­ ретает процесс разбавления первичных водных масс озёрными во­ дами.

Таким образом, распространению речных вод в озеро препятст­ вует плотностной барьер (термобар), создающийся на границе теп­ лоактивной и теплоинертной областей. На прогретом мелководье с повышенным содержанием биогенных элементов отмечается мак­ симальная численность весеннего фитопланктона. Поэтому для прибрежного района весной характерны максимальные концентра­ ции органического углерода, достигающие 19-20 мг/л. Водные мас­ сы с большим содержанием Сорг из-за термобара не могут распро­ страняться в глубоководный район озера. Поскольку скорость дест­ рукции ОВ весной незначительна [226], то легкоминерализуемое ОВ не успевает полностью разложиться в водной толще и поступает в донные отложения. По данным института озёроведения [198], наи­ больший уровень накопления ОВ в гиполимнионе и последующая

последующее окисление продуктов распада ОВ, в том числе метана и сероводорода, приводит к появлению зон недонасыщения кисло­ родом, что ещё более усиливает образование восстановленных-со­ единений.

Проведённые ГХИ в 1986, 1988 гг. съёмки в шхерах городов Питкяранта, Сортавала, Лахденпохья и Ляскеля (Матвеев, 1988) по­ казали, что вблизи выпуска сточных вод ЦБП, в районах их рассея­ ния, средние концентрации в донных осадках СорРсоставляли 22-57 мг/г с.о. Вне зон влияния содержание Сорг находилось на уровне 1624 мг/г с.о. Максимальные концентрации Сорг выявлены в шхерах Ляскеля - 109,6 мг/г с.о., здесь же выявлены и наиболее высокие концентрации метана в воде и донных осадках. Подтверждение прямой связи накапливаемых органических веществ и метана* в донных отложениях шхерных районов иллюстрируется на примере района Ляскеля (рис.29). Эта связь описывается следующим урав­ нением:

биологической весны (май, июнь 1987 и 1988 гг). В этом районе наи­ более подробно наблюдения велись на двух участках: на выходе из Щучьего залива и на участке, протянувшемся на 41 км вдоль запад­ ного открытого побережья озера, от владения р. Вуокса до острова Коневец. Концентрацию метана в донных отложениях определяли только в весенний период (май, июнь 1987 и 1988 гг.).

Как известно, акватория, прилегающая к г. Приозёрскдо закры­ тия Приозёрского ЦБК в 1987 г., являлась одной из.самых неблаго­ получных в экологическом и санитарно-гигиеническом отношении в Ладожском озере. Работавший с довоенных времён Приозёрский целлюлозный завод, а после расширения целлюлозно-бумажный комбинат (ЦБК) в природоохранном отношении ни разу не реконст­

руирован. Его промышленные сточные воды без очистки на протя­ жении нескольких десятилетий попадали в озеро Дроздово (исполь­ зуемое как обычный отстойник), а из него через залив Щучий час­ тично выносились и вовлекались вдольбереговым течением в об­ щую циркуляцию вод Ладожского озера (с севера на юг вдоль севе­ ро-западного побережья), в целом оказывая влияние на всё запад­ ное побережье вплоть до губы Петрокрепость. Неочищенные сточ­ ные воды Приозёрского целлюлозного завода, сбрасываемые в оз. Дроздово, в марте 1987 г (до закрытия завода) содержали метан в количестве 43600 мкл/л.

В осадках Приозёрского района, несмотря на относительно вы­ сокое содержание органических веществ, количество метана было значительно меньше, чем в отложениях северного шхерного и озёр­ ного районов, изменяясь в пределах 0,02-1,23 (ср. сод. 0,14 мкг/г в. в.; 45 проб). Содержание Сорг в илах, расположенных на выходе из Щучьего залива и в районе г. Приозёрска со стороны озера, соот­ ветственно составляло 12,9-62,1 и 18,0-32,9 мг/г с.о., что близко к значениям, определённым в илах северных шхер. Низкие концен­ трации газа при достаточно высоком содержании органических ве­ ществ обусловлены открытостью западного побережья, существо­ ванием здесь сильного вдольберегового течения и связанного с ним повышенного положительного значения Eh поверхностного слоя осадков, вследствие поступления кислорода из насыщенного им придонного горизонта воды, а также содержания в отложениях оки­ слов железа и марганца. По глубине колонки, отобранной в районе г. Приозёрска со стороны озера (т. П-9), фиксируется снижение Eh от +235 мВ в слое 0-2 см до -215 мВ в слое 10-14 см (Матвеев, 1988). В целом, участок, расположенный на выходе из Щучьего за­ лива, характеризуется более высоким содержанием метана в отло­ жениях, в чём не последнюю роль играет большая закрытость этого участка от ветровых и прочих воздействий.

В весенний период 1987 и 1988 гг. в западном Приоэёрском районе на участке от острова Заячий до острова Коневец относи­ тельно низкие концентрации метана зафиксированы не только в от­ ложениях, но и в водной толще, варьируя в последней в пределах 0,5-28,5 мкл/л (ср. сод. 3,7 мкл/л; 128 проб). Наблюдается тенденция к некоторому увеличению (в среднем на 0,4 мкл/л) содержания ме­ тана от мая к июню как в поверхностном, так и в придонном горизон­ те. И в мае и в июне более высокие концентрации характерны для поверхностной воды (разница в среднем 1,2 мкл/л). Так же, как и в осадках, в воде наиболее высокие концентрации метана отмечены на выходе из Щучьего залива и в районе впадения р. Вуокса. Непо­ средственно в устье реки Вуокса содержание газа в поверхностном

и придонном слое варьировало в диапазоне соответственно 71,0- 86,4 и 70,6-116,6 мкл/л.

Поведение метана в водной толще и донных отложениях запад­ ного Приозёрского района в целом характеризуется теми же осо­ бенностями, что и в шхерном районе, а именно наблюдается уменьшение содержания метана при удалении от источника загряз­ нения, максимальные концентрации газа фиксируются на глубинах 25-50 метров (см. рис. 27,28).

В период ледостава в воде береговой мелководной части Щучьего залива (в районе стока из оз. Дроздово), где встречаются илистые отложения, нередко содержащие неразложившиеся расти­ тельные остатки, обнаружено аномально высокое содержание ме­ тана, достигающее 3350,0 мкл/л. На выходе из Щучьего залива (рис. 30; ст. 15) концентрация метана в придонном горизонте воды оста­ валась очень большой (2000,0 мкл/п), в то время как в поверхност­ ном слое его содержание было более чем на 2 порядка ниже (4,0 мкл/л). Шлейф аномально высоких концентраций метана у дна про­ слеживается и на некотором удалении от устья залива (ст. 16 - 1080,0 мкл/л). Как и на ст. 15, содержание метана в поверхностном слое ст. 16 было значительно меньше. Столь высокие вертикальные градиенты при переходе от поверхностного горизонта воды к при­ донному, наблюдаемые на станциях 15 и 16, указывают на развитие здесь застойных явлений, созданию которых способствуют отсутст­ вие в период ледостава ветровых перемешиваний и минимальные скорости течений.

Вводе станций, расположенных на более открытых участках, содержание метана в поверхностном слое остаётся примерно на том же уровне, что и в поверхностном горизонте вышеописанных участков (соответственно 3,9-6,7 мкл/л и 2,7-5,4 мкл/л), однако у дна его содержания значительно снижаются - до 10,4-17,5 мкл/л. Веро­ ятно, существующие в этой части Ладожского озера течения, на­ правленные с севера на юг вдоль его северо-западного побережья, препятствуют застаиванию вод.

Впериод ледостава распределение метана в воде Ладожского озера было прослежено также на участке ниже впадения р. Вуокса по разрезу, простирающемуся в направлении от западного берега на восток в глубь озера (рис.30). Содержание метана на этом участ­ ке изменялось в пределах от 2,7 до 48,6 мкл/л (в среднем 12,6 мкл/л) - в поверхностном слое и от 2,5 до 28,1 мкл/л (в среднем 7,3 мкл/л) - в придонном. Более высокие концентрации метана опреде­ лены в воде станций, расположенных ближе к береговой линии. На­ ряду с этим ближе к берегу чаще наблюдалось снижение его содёр-

Рис. 30. Расположение точек отбора проб в Ладожском озере в период подлёдных исследований (март 1987 г.).

жания от поверхностного слоя ко дну. На более значительном уда­ лении от береговой линии в обоих горизонтах концентрация метана существенно падает и происходит выравнивание его содержаний по вертикали. Высокие концентрации метана и характер их вертикаль­ ного распределения в воде участков, расположенных вблизи побе­ режья, указывает на влияние вод р. Вуокса, содержание метана в которых у поверхности в черте г. Приозёрск составляло 21,6 мкл/л. Из-за тонкого льда в устье р. Вуокса пробы воды отобрать не уда­ лось. По содержанию метана хорошо прослеживается граница вод­ ной массы р. Вуокса, отчётливо выделяются зоны её максимального

иминимального влияния.

Вюжном районе, включающем губы Волховскую, Свирскую и бухту Петрокрепость, а также участок акватории в зоне впадения реки Морье, исследования особенностей распределения содержа­ ния метана проводились в разгар биологической весны (май-июнь) в течение трёх лет - 1986-1988 гг. В Волховской и Свирской губах на­ блюдения велись также и в конце летнего - начале осеннего перио­ да (сентябрь 1987 г). Южный район охватывает всю площадь южно­ го мелководья с глубинами менее 20-25 м. Несмотря на то, что это - район устойчивого и значительного техногенного прессинга, актив­ ный гидродинамический режим и интенсивные стоковые течения обеспечивают направленный вынос тонкого минерального и органи­ ческого материала на север, в открытую часть озера. Активный гид­ родинамический режим и стоковые течения, сформировавшие в

южном районе в основном песчаные и крупноалевритовые осадки, характеризующиеся низкими содержаниями органических веществ и высоким Eh осадков (в 0-2 см слое Eh изменялось в пределах от +195 до +265 мВ), предопределили и очень низкие концентрации метана в отложениях. Его содержания в последних на участке, включающем зону впадения реки Морье, бухту Петрокрепость, губы Волховская и Свирская, варьировали в незначительных пределах от 0,02 до 0,13 мкг/г в.в., в среднем 0,05 мкг/г в.в. Значения выше среднего зафиксированы в устьях рек Волхов и Сясь.

В Волховской и Свирской губах, представляющих собой обшир­ ные открытые водные пространства, содержание метана в водной толще тесно связано с направлением ветровых течений, зависящих от направления ветра. Анализ ветровой обстановки [39] показал, что преобладающими являются ветры с южной составляющей (почти 50%) из которых можно особо выделить юго-западное направление (21,6 %). Однако наибольшую силу в период открытой воды имеют ветры северных направлений. При таких ветрах течение направле­ но в Волховскую и Свирскую губы, в результате чего происходит снижение содержания метана за счёт притока в губы обеднённых метаном озёрных вод. Подобное наблюдалось в июне 1986 г., когда содержание метана в приустьевой зоне рек Волхов и Сясь состав­ ляло соответственно 3,9-4,2 мкл/л и 1,1 мкл/л. Близкие значения на­ блюдались и в приустьевой зоне р. Свирь (ст. 28) - 4,6 мкл/л. Эти значения ненамного превышают величины, определённые в цен­ тральной (открытой) акватории озера. В устьях рек Волхов и Сясь концентрация метана в июне 1986 г. была значительно выше, чем в приустьевых участках, соответственно 21,0-22,4 мкл/л.

В весенний период 1987 и 1988 гг., когда наблюдались ветры противоположных направлений, воды рек Волхов и Сясь, содержа­ щие повышенные концентрации метана, распространялись на более значительные расстояния, постепенно обедняясь метаном по на­ правлению в глубь озера. Так, в устье реки Волхов содержание ме­ тана достигало 38,9-43,2 мкл/л. В приустьевом участке р. Волхов на расстоянии 9 км от устья реки его концентрация варьировала в диа­ пазоне 14,5-20,9 мкл/л. На расстоянии 16 км от устья Волхова со­ держание метана 8 воде составляло 7,3-15,8 мкл/л, а при удалении на расстояние 18-27 км - 2,7-4,0 мкл/л. В приустьевом участке р. Сясь, на расстоянии 3 км от устья реки содержание метана достига­ ло 16,6-24,8 мкл/л. На расстоянии 8-10 км от устья р. Сясь содержа­ ние метана было 2,1-9,6 мкл/л. При удалении от устья на 17-19 км содержание метана снизилось до значений 1,3-5,4 мкл/л.

В конце летнего - начале осеннего периода (сентябрь 1987 г.) характер распределения содержания метана в поверхностной воде

Волховской и Свирской губ не отличался от наблюдаемого в весен­ ний период 1987 и 1988 гг., а именно: в обеих губах наблюдалась ярко выраженная тенденция снижения его концентраций при пере­ ходе от речного участка к зоне смешения, и последующее уменьше­ ние в направлении к центральному району озера (рис.31). По абсо­ лютным величинам содержание изучаемого газа также было близ­ ким к значениям определённым в весенний период. В Волховской губе концентрация метана варьировала в диапазоне 3,1-12,5 мкл/л (ср. сод. 9,6 мкл/л), в р. Волхов ниже г. Новая Ладога его содержа­ ние составляло 21,0 мкл/л. В Свирской губе количество метана из­ менялось в диапазоне 1,8-14,4 мкл/л (ср. сод. 7,4 мкл/л), а в устье р.

Рис. 31. Распределение метана в воде Волховской и Свирской губ (сентябрь 1987 г.)

Достаточно низкие содержания метана, близкие по значению к концентрациям, наблюдаемым на юге и в центре центрального рай­ она озера, определены в водах приустьевого участка реки Морье (0,8-1,9 мкл/л) и истоке реки Невы (0,8-1,8 мкл/л). Здесь существуют высокие скорости течения, а донные отложения представлены пес­ чаными грунтами и каменистыми грядами. Процесс загрязнения и заиления грунтов в истоке Невы идёт медленно и проявляется толь­ ко ниже г. Петрокрепость, где отмечается увеличение концентраций метана в водной толще до значений 5,6-59,0 мкл/л.

Для осадков центрального района характерно различие по ве­ личинам содержаний метана в его северной и южной частях. На се­ вере центрального глубоководного района в точке 3, расположенной южнее о. Валаам и считающейся по некоторым показателям фоно­ вой, содержание метана в отложениях достаточно высоко (до 6,7 мкг/г в.в). По данным Н И. Семеновича [218], на участке дна к югу от Валаамских и Байевых островов, где и расположена т.З, фиксирует­ ся пятно максимальных концентраций Сорг в донных осадках. Это пятно обусловлено вызванным силами Кориолиса циркуляционным течением, увлекающим прибрежные воды южных мелководий с вы­ соким содержанием ОВ вдоль восточного берега на север. В ре­ зультате этого в глубйнной зоне идёт процесс накопления “весенне­ го” аллохтонного Сорг, приносимого с водами р. Волхов и других при­ токов южного и восточного побережья, и “весеннего" автохтонного, образовавшегося в южной части озера.

В отличие от северной части, для которой характерны большие глубины, на юге и в центре центрального района (ст. 1 и 2, глубины 40-70 м) содержание метана в донных осадках не превышает 0,05 мкг/г.

Что касается водной толщи, то в целом для вод всего централь­ ного района характерны невысокие концентрации метана - в преде­ лах 0,5-1,8 мкл/л; разницы между северной и южной его частью по содержанию метана в воде не выявлено.

Таким образом, резюмируя всё вышесказанное об исследова­ ниях особенностей распределения содержания метана в воде и донных отложениях Ладожского озера, можно отметить следующее. Распределение метана по акватории Ладожского озера характери­ зуется ярко выраженной неоднородностью. В зависимости от раз­ личных факторов и, прежде всего, от гидродинамических и геомор­ фологических условий, степени оказываемой на участки антропо­ генной нагрузки, влияния вод впадающих в озеро притоков, содер­ жание метана может колебаться в значительных пределах, а его распределение в водной толще по глубине резко отличаться от станции к станции. Наиболее высокие концентрации метана выяв­ лены в северном шхерном районе, для которого характерна пони­ женная гидродинамическая активность и мощное влияние сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, распо­ ложенных на побережье городов Питкяранта, Сортавала, Лахденпохья и пос. Ляскеля. Значительные поступления неочищенных сточ­ ных вод предприятий ЦБП в шхерный район привели к серьёзному ухудшению качества воды и эвтрофированию этой части озера. В шхерах наблюдается накопление антропогенного органического ве­ щества, концентрация которого коррелирует с содержанием метана

в донных отложениях. В какой-то степени шхеры могут рассматри­ ваться как участки зон смешения водоток - водоём, где, наряду с изменением химического и изотопного состава, происходит транс­ формация антропогенного минерального и органического вещества [258J. В целом, в порядке убывания концентраций метана в воде, районы Ладожского озера располагаются в следующей последова­ тельности: северный -» западный Приозёрский -> южный -*■ цен­ тральный. Для всех районов озера характерна тенденция к сниже­ нию концентраций метана при удалении от источников загрязнения. В донных осадках в порядке убывания содержаний метана районы распределяются аналогичным образом, однако на севере централь­ ной глубоководной зоны выделяется участок, в глинистых осадках которого фиксируются достаточно высокие концентрации метана. Существование в отложениях озера тенденции к увеличению их ак­ кумулирующей способности с юга на север предопределило и опи­ санный характер распределения величин содержания изучаемого газа. В целом распределение концентраций метана в донных осад­ ках озера контролируется литологическим типом осадков и количе­ ством в них лабильных органических веществ. Сопоставление мик­ робиологических и гидробиологических материалов, полученных

сотрудниками ГХИ [105, 106], с данными по рас­ пределению метана по­ казало, что повышенные содержания в донных отложениях клеток аммонификаторов, фенолокисляющих и гетеротрофов практически совпали с повышенны­ ми концентрациями изу­ чаемого газа. Коэффи­ циенты корреляции со­ ответственно равны 0,63; 0,74; 0,77. Такая же тесная связь наблю­ далась и в водной тол­ ще между численностью фенолокисляющих и гетеротрофов и содержа­ нием метана (соответ­ ственно г = 0,76 и г = 0,77) (рис.32).