Methane emissions and hydrological structure of zeya reservoir (russia) in warm period

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В 2021 г. ИФА им. А. М. Обухова РАН по заказу ПАО «РусГидро» начал трехлетний цикл исследований по теме «Измерение выбросов парниковых газов и оценка поглощающей способности гидроэнергетических объектов». Основу Проекта составляют натурные измерения баланса парниковых газов, прежде всего метана (СН₄), на крупных водохранилищах России [Репина и др., 2022]. Помимо своего фундаментального значения, проблема оценки эмиссии парниковых газов (ПГ) имеет и практический аспект, особенно важный для России: в настоящее время отсутствует определенность в отношении углеродной нейтральности отечественных ГЭС, использующих водные ресурсы водохранилищ для выработки электроэнергии.

Эмиссия ПГ (и прежде всего метана) с поверхности водохранилищ происходит на протяжении всего срока их жизни. Но максимальные значения потоков наблюдаются в первые годы заполнения. С течением времени эмиссия уменьшается, но в некоторых случаях снижения углеродной активности не только не происходит, но даже зафиксировано увеличение выбросов [Елистратов и др., 2014]. При небольших температурах метан устойчив к воздействию кислорода, в целом он химически нейтрален и не поглощается щелочами и слабыми кислотами [Гарькуша, Федоров, 2021].

Инвентаризация мировых данных по эмиссии метана с поверхности водохранилищ, приведенная в работе [Deemer et al., 2016] и уточненная в работах [Deemer, Holgerson, 2021; Rosentreter et al., 2021], показала, что эмиссия СН₄ существенно зависит от климатической зоны, проточности, возраста водоема и может сильно варьироваться даже в пределах одной климатической зоны.

Потоки ПГ из водохранилищ часто имеют суточную и синоптическую изменчивость – в масштабе времени от минут до часов и даже в течение отдельных дневных и ночных циклов [Sieczko et.al., 2020; Гречушникова и др., 2019]. Также велика изменчивость этих потоков на сезонном масштабе – в зависимости от активности продукционно-деструкционных процессов, речного притока, колебаний уровня водохранилища, величины и динамики слоя перемешивания [Deemer et al., 2016; Гречушникова и др., 2018; Гречушникова и др., 2019].

Натурные исследования коллектива авторов на Зейском водохранилище имеют экспедиционный формат, при котором в течение нескольких дней дважды в год выполняются измерения по всей площади водохранилища. Поэтому в данной работе не учитывается изменчивость потока СН₄ в масштабах времени меньше сезона (например, суточная и синоптическая).

Цель данной статьи – дать количественную характеристику гидрологических условий, как основы формирования эмиссии СН₄, в водной толще Зейского водохранилища в теплый период, показать их связь с потоками СН₄ в относительно многоводных и маловодных условиях, дать оценку общей эмиссии СН₄ из водоема.

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ

Зейское водохранилище – один из 9 водоемов, объектов исследования выполняемого авторами Проекта. Оно имеет характерные черты водохранилищ умеренного пояса. Но при этом ему свойственны и уникальные черты, благодаря сочетанию морфологических особенностей (обширная часть с глубинами до 50 м и каньонообразная часть с глубинами до 100 м), значительной площади и объема, высокой проточности и выраженной сезонности в гидрологическом режиме.

Зейское водохранилище находится на Дальнем востоке России у южных склонов Станового хребта. Оно образовано в среднем течении р. Зеи – крупнейшего притока р. Амур. Помимо главной реки, в водохранилище впадают такие крупные водотоки, как Гилюй, Брянта и Унаха. Для удобства планирования работ и описания результатов нами выделены характерные участки акватории, которые названы следующим образом: Малое море, Среднее море, Большое море и Каньон (рис. 1).

Заполнение чаши Зейского водохранилища началось в 1974 г., а до нормального подпорного уровня (НПУ) водоем наполнился в 1985 г. [Схема…, 2010]. Основные характеристики водохранилища приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Основные характеристики Зейского водохранилища

Характеристика	Величина	Источник данных
Уровень воды: УМО / НПУ / ФПУ*, м абс.	299.0 / 315.0 / 322.0	[Правила…, 2018]
Длина: при УМО и НПУ, км	225 и 290	Собственные расчеты
Ширина: наибольшая (средняя) при НПУ, км	24 (8.4)	[Схема…, 2010]
Глубина: наибольшая (средняя**) при НПУ, м	96 (28.7)	Собственные оценки
Площадь: при УМО / НПУ / ФПУ, км²	1620 / 2419 / 2955	[Правила…, 2018]
Объем: при УМО / НПУ / ФПУ / среднемноголетний, км³	36.3 / 68.4 / 87.4 / 63.0	[Правила…, 2018]
Площадь водосбора, км²	83 800	[Правила…, 2018]
Среднемноголетний приток воды с учетом осадков на акватории, км³	25.2	[Правила…, 2018]***
Средний годовой сток в створе плотины, км³	24.8	[Правила…, 2018]***
Испарение с акватории водоёма, км³	0.38	[Правила…, 2018]***
Коэффициент водообмена****	0.39	Собственные расчеты

*УМО – уровень мертвого объема; НПУ – нормальный подпорный уровень; ФПУ – форсированный подпорный уровень.

** Средняя глубина при НПУ – частное от деления объема на площадь при НПУ *** Расчетные величины для периода 1901–2017 гг.

**** Коэффициент водообмена – частное от деления стока в створе плотины на среднемноголетний объем водохранилища.

 

Согласно оперативным данным Зейской ГЭС [http://www.rushydro.ru/], среднемноголетний уровень воды за период 2005–2021 гг. составляет 312.6 м абс. Минимальный уровень наблюдается в марте-апреле – около 309–310 м абс., в отдельные годы опускается до 307 м абс. Максимальный уровень – 316–318 м абс. характерен для летне-осеннего периода, в отдельные годы (2007, 2013 и 2021 гг.) уровень может превышать 318 м абс.

Водный режим Зейского водохранилища определяется, главным образом, р. Зея и ее крупнейшим притоком – р. Гилюй. По характеру внутригодового распределения стока эти реки относятся к Дальневосточному типу водного режима, которому присуща высокая водность в теплую часть года: весенне-летнее половодье, переходящее в высокие паводки во второй половине лета и в начале осени. Зачастую дождевые паводки по своей величине (максимальному расходу воды и объему стока) превосходят половодье. Зимой речной сток минимален. В средний по водности год с мая по август в водохранилище поступает ~56% годового объема воды, в сентябре и октябре ~41%, а на долю зимних месяцев приходится всего ~3%. Для среднего по водности года доля дождевого питания превышает 70%, снегового достигает 25%, а грунтового – до 5% [Правила…, 2018]. В многолетнем плане среднегодовой приток речной воды в водохранилище изменяется от 431 до 1220 м³/с (в очень маловодный и очень многоводный годы, соответственно) [Правила…, 2018].

По химическому составу воды Зейского водохранилища относятся к ультрапресным водам гидрокарбонатного класса группы кальция [Шестеркин и др., 2016]. Высокая заболоченность бассейна Зейского водохранилища выделяет его среди водохранилищ Дальнего Востока и Сибири повышенным содержанием органического вещества [Арефина и др., 2010].

В районе Зейского водохранилища климат ультраконтинентальный с муссонными чертами, зима суровая, малоснежная, лето умеренно прохладное (на севере) и теплое (на юге). Температура воздуха составляет: –4.6°C – в среднем за год, –31.0°C – в среднем за январь и 18.0°C – в среднем за июль по данным метеостанции Бомнак (Код WMO 31253). Через 0 °C температура воздуха переходит в середине апреля и в середине октября. В теплый период года здесь выпадает большое количество осадков, возможны сильные ливневые дожди. Годовая норма осадков в среднем составляет ~573 мм, из них ~85% выпадает с середины апреля по середину октября [http://aisori-m.meteo.ru/].

В бассейне Зейского водохранилища распространены хвойная тайга и лесотундра, многолетнемерзлые породы и болота. На берегах водохранилища находится 6 населенных пунктов с населением около 4.5 тыс. человек, в нижнем бьефе расположен г. Зея с населением 22 тыс. чел. [Схема…, 2010].

Характеристика условий работ

Экспедиционные исследования на Зейском водохранилище были выполнены с 17 по 23 сентября 2021 г. и с 25 по 31 июля 2022 г. Гидрологические условия работ в 2021 и 2022 гг. значительно различались (табл. 2). В 2021 г. работы выполнялись в летне-осенний паводочный период. В течение теплого периода (май-начало сентября) наблюдались аномально высокие суммы осадков (до 850 мм), а суточная сумма составляла 50 мм. Погода непосредственно в период работ была ясная, без осадков, температура воздуха варьировалась от –2 до +21 °C, температура воды на поверхности: от +9.6 до +15.1 °C (в нижнем бьефе +8.4 °C), ветер в период проведения работ был переменным до 6 м/с. Сработка водохранилища происходила через турбины и поверхностные водосбросы.

 

Таблица 2. Гидрологические условия в период работ на Зейском водохранилище в 2021 и 2022 гг.

Период экспедиции	17–23 сентября 2021 г.	26–31 июля 2022 г.
Уровень воды (У.В.), м абс.	318.01–317.89	311.65–311.69
У.В. среднемноголетний за 2005–2020 гг. в  календарный период экспедиции, м абс.	314.90–315.04	312.65–313.38
Общий расход, м³/с	3360–3276	713–726
Расход через водосброс, м³/с	2517–2238	0
Объем водохранилища, км³	75.34–76.10	60.68–60.77
Объем притока к началу работ (с 20 апреля), км³	42.0	10.5
Сброс воды через ГЭС к началу работ (с 20 апреля), км³	23.4	6.3
Накопление притока в водохранилище к началу работ (с 20 апреля), км³	18.6	4.2
Сработка через поверхностный водосброс  к началу работ (с 20 апреля), км³	8.6	0.0

 

Период экспедиционных работ в 2022 г. соответствовал стадии начала летнего наполнения водохранилища (начало паводочного периода). Погода в первой части этого периода характеризовалась антициклональным типом, во второй части – фронтальными осадками. Температура воздуха: от +15.2 до +27.8 °C, температура воды на поверхности: от +11.6 до +26.7 °C (в нижнем бьефе +4.7 °C). Ветер в период проведения работ так же, как и в 2021 г. был переменным, до 6 м/с. Уровень воды был на 3.4 м ниже НПУ, сработка водохранилища происходила только через турбины.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Методы полевых работ

Экспедиционные исследования на Зейском водохранилище включали в себя измерения гидрологических характеристик воды (температуры, электропроводности и содержания растворенного кислорода), отбор проб воды и воздуха для определения концентраций СН₄ и величин его потока на границе вода/атмосфера, а также отбор проб воды на химический состав (главные ионы, рН, минерализация, общее железо, кремний). Пространственное размещение станций наблюдений показано на рис. 1, сведения об объеме работ приведены в табл. 3. Все работы проводились с борта катера. В большинстве случаев постановка судна на якорь была невозможна из-за больших глубин и захламленности дна древесными остатками, поэтому измерения проводились в дрейфе.

 

Рис. 1. Карта-схема Зейского водохранилища с местоположением станций полевых работ в 2021 и 2022 гг. Примечание: приводится сквозная нумерация для всей серии экспедиций; станции, имеющие одинаковый номер, характеризуют один и тот же однородный участок акватории водоема.

 

Гидрологические характеристики измерялись с помощью зонда YSI 6600 на всех станциях (отбор проб воды на химический состав проводился не на всех станциях). Точность измерений температуры воды составила 0.05 °C, электропроводности ~3–5 мкСм/см. Пересчет электропроводности в минерализацию проводился для определения минерализации воды на всех станциях по уравнению связи, полученному на основе данных измерения минерализации в отдельных пробах воды в лабораторных условиях. Содержание кислорода измерялось мембранным датчиком. Его точность невысока, поэтому результаты этих измерений не следует рассматривать в строго количественном выражении, в рамках текущей работы достаточно было их интерпретировать на качественном уровне (есть дефицит/нет дефицита кислорода). Дискретность зондирования по глубине составила от 1 до 5 м в зависимости от общей глубины на станции и характера наблюдаемых изменений гидрологических характеристик.

 

Таблица 3. Виды и объем полевых работ Зейском водохранилище в 2021 и 2022 гг.

Виды исследований		Период работ
		сентябрь 2021 г.	июль 2022 г.
Измерение гидрологических  характеристик (зондирование)	станций	19	21
Отбор проб воды на СН₄	станций	18	21
	всего проб*	80	150
Измерения потоков СН₄	станций	14	17
	всего проб**	116	127
Отбор проб воды на химический состав	станций	10	14
	всего проб	20	25

*включая повторности, ** включая пробы атмосферного воздуха (1 проба на 1 станцию)

 

Пробы воды на СН₄ и химический состав отбирались батометром системы Нискина объемом 2 л с размеченным тросом (длина троса 100 м). Пробы на концентрацию СН₄ отбирались в двух повторностях во флаконы объемом 20 мл. Горизонты отбора проб назначались: осенью 2021 г. – в поверхностном слое, под слоем скачка температуры воды и в придонном слое; летом 2022 г. – в поверхностном слое, под фотическим слоем (5 м), над слоем скачка температуры и под ним (15 и 30 м, соответственно), а также в придонном слое (в 1 м выше дна). На некоторых станциях назначались дополнительные горизонты (например, на участках с апвеллингом, либо вблизи крупных притоков).

Измерения потоков СН₄ выполнены методом плавучих камер (2 камеры из пластика, объемом 7–10 л). Характеристики камер соответствуют методике ЮНЕСКО по измерению эмиссии СН₄ из водных объектов. Время экспонирования (1 час) разбивалось на две серии по 30–40 минут. Прокачка воздуха в трубке, идущей от камеры к шприцу-пробоотборнику, по 2 объема шприца (емкостью 60 мл) выполнялась перед каждым отбором.

Пробы воды на химический состав отбирались в емкости из химически неактивного пластика объемом 1.5 л и хранились при температуре от +8 до +15 °C в течение 3–8 дней до поступления в лабораторию. В этих пробах определялись главные ионы и по ним рассчитывалась минерализация воды. Затем по полученным данным строилась зависимость между минерализацией и измеренной электропроводностью воды. Во всех случаях связь тесная, очень близкая к линейной (коэффициент корреляции 0.95–0.98). Места и горизонты отбора проб назначались таким образом, чтобы в результате был охвачен весь диапазон минерализации, ожидаемой на водохранилище по сведениям из литературы.

Метеонаблюдения выполнялись с помощью портативной метеостанции Kestrel 5000 на каждой станции в начале цикла отбора проб и включали в себя измерение температуры и влажности воздуха, скорости ветра и атмосферного давления.

Глубины на станциях измерялись с помощью эхолота. Местоположение станций определялось с помощью портативного GPS-приемника в системе координат WGS-84.

Методы лабораторных и камеральных работ

Определение химического состава вод Зейского водохранилища выполнено в ИВЭП ДВО РАН по методикам, описанным в нормативных документах [Руководящий документ…, 2009]. Содержание ионов натрия и калия определено на пламенном фотометре, ионов кальция и магния, гидрокарбонатного и хлоридного ионов – титрованием, сульфатного иона – на фотометре турбидиметрическим методом, цветность воды – на фотоколориметре.

Определение концентрации СН₄ в пробах воздуха и водной вытяжки выполнено в лаборатории ИФА РАН методом «headspacе» [Bastviken et.al., 2010] на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором Хроматэк-Кристалл 5000.2, согласно [РД 52.44.8162015].

Выброс СН₄ в результате дегазации воды при ее сбросах через Зейский гидроузел оценивался как произведение расхода воды и разницы концентрации СН₄ в воде между верхним и нижним бьефом (с учетом концентрации СН₄ в воздухе).

Методика расчета общей эмиссии метана

Расчет общей эмиссии СН₄ с поверхности Зейского водохранилища основан на результатах натурных измерений удельных потоков СН₄ и последующего их осреднения для выделенных районов (см. раздел Результаты) с учетом площадей, занятых мелководьями. Для этого авторами построена цифровая модель рельефа ложа Зейского водохранилища. Источниками топографической информации для данной модели послужили топографические карты масштаба 1:100000, на которых отражены точки высот, изогипсы в долине р. Зеи до затопления и изобаты в период не полного заполнения в конце 1970-х гг.; космические снимки Landsat и Sentinel-2 (с пространственным разрешением выбранных каналов 15 и 10 м соответственно) за период 2013–2020 гг., на которых читаются контуры акватории водохранилища при разных уровнях его наполнения (306–319 м. абс.); данные полевых измерений глубин водоема. Цифровая модель рельефа в абсолютных отметках построена методом Хатчинсона (метод Topo to raster) с помощью ГИС-пакета ESRI ARCGIS с пространственным разрешением 25 м.

Для перехода от дискретных в пространстве измерений на станциях к оценке общей эмиссии все водохранилище было разделено на районы, выделенные в рамках настоящего исследования (см. раздел Результаты). Исходя из густоты станций, количества опробованных горизонтов, связи потоков СН₄ с глубиной, а также фактического пространственного распределения удельных потоков СН₄, внутри морфологических районов экспертно выделялись глубинные зоны. Это было сделано для максимально возможного точного расчета общей эмиссии метана. А именно, для того, чтобы разделить станции на мелководные и глубоководные, а затем рассчитывать осредненные потоки метана в пределах этих зон, опираясь на данные наблюдений на соответствующих станциях (отнесенным к глубоководной и мелководной зоне). Летом 2022 г. в Большом и Среднем море выделены зоны с глубиной менее 30 м, в пределах которых удельные потоки СН₄ были значительно выше, чем на остальной акватории. Отдельно учитывались локальные максимумы потоков СН₄ (так называемые «горячие точки» (hot spots) [Darling, Gooddy, 2006]), которые были обнаружены в осенней экспедиции 2021 г. в верхней части Каньона.

Общая эмиссия СН₄ приводится в форме диапазона. Нижняя «грубая» оценка заключалась в усреднении удельных потоков по всем станциям в пределах каждого района. Общая эмиссия СН₄ со всего водоема определялась суммированием эмиссий, которые получены перемножением средней удельной величины потока СН₄, рассчитанной для каждого района, на площадь соответствующих районов. Верхняя «детализированная» оценка общей эмиссии СН₄ выполнялась с учетом участков акватории с глубиной менее 30 м, опираясь на доли площадей районов, занятых этими участками. Оценка эмиссии из участков «горячих точек» производилась путем экспертной оценки площади мелководных заливов, описываемых «горячими точками» (на уровне 3 и 5% площади для нижней и верхней оценки соответственно). Обе оценки содержат в себе также поток СН₄_, образующийся вследствие дегазации воды при ее сбросе через плотину Зейской ГЭС.

Вегетационный период в районе Зейского заповедника составляет 130–140 дней [http://oopt.info/zeysky/physgeo.html]. Для расчета коэффициента эмиссии СН₄ взята средняя величина – 135 суток. Следует отметить, что в 2021 г. измерения проводились в конце вегетационного периода, в 2022 г. – ближе к его середине, поэтому результаты не в полной мере описывают весь вегетационный период.

Методика расчета запасов метана в водоеме

Для оценки запасов СН₄ в водоеме использовалось осреднение его концентраций путем нелинейной автоматизированной интерполяции по объему водохранилища для каждого узла сетки путём учёта значений окружающих точек станций. С использованием цифровой модели рельефа, полученной в настоящей работе, в каждом слое водоема с шагом 2 м по глубине производилась интерполяция по площади слоя значений концентрации метана методом ICW (Inverse Cost Weighting) [Wing et. al., 2004]. Данный метод является производным от стандартного метода IDW (Inverse Distance Weighted), однако позволяет корректно учитывать естественные барьеры (такие как мысы и полуострова, то есть точки станций могут не быть в прямой видимости друг от друга). В результате для каждого сезона получены вертикали с послойным распределением концентрации метана. Затем получен средневзвешенный по объему запас метана в водоеме, как сумма послойных произведений концентрации метана и объема каждого слоя.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гидрологическая структура водоема в 2021 и 2022 гг.

В период экспедиции в сентябре 2021 г. температурная стратификация водохранилища и слой температурного скачка (СТС) были хорошо выражены, особенно в Большом море и в Каньоне, то есть там, где большие глубины. СТС залегал на глубинах ниже 20–30 м и, в целом, заглублялся по мере приближения к плотине. Глубина СТС менялась от 15–20 м на севере (в районе станции 6) до 30–40 м на юге Большого моря и до 60 м у плотины в районе станций 15–16 (рис. 2а). Средневзвешенная температура воды по профилю равнялась 9.4 °C. Самые низкие температуры у дна (4.9–5.5 °C) наблюдались в центре Большого моря (станции 9–10), самые высокие – в Среднем море (7–9 °C) (станции 5, 25) и Каньоне (6–7 °C) (станции 13–16). Водохранилище было насыщено кислородом по всей глубине, зон аноксии не выявлено. Средневзвешенная по продольному профилю величина насыщения составляла 74%. Наименее насыщенные кислородом зоны выявлены в области наибольших глубин в Каньоне, при этом величина насыщения превышала 50% (рис. 2б). Средневзвешенная по профилю величина минерализации составляла 22.3 мг/дм³. Наибольшая минерализация воды наблюдалась в р. Зее (36.1 мг/дм³), ниже Бомнака минерализация менялась в пределах 26–29 мг/дм³(станция 6). Минерализация слабо увеличивалась с глубиной (рис. 2в).

 

Рис. 2. Распределение температуры воды (а), содержания растворенного кислорода (б) и минерализации (в) по продольному профилю Зейского водохранилища по данным экспедиционных работ в сентябре 2021 г. (слева) и июле 2022 г. (справа). Обозначения: 1 – станции и их номера, 2 – точки измерения на вертикали, 3 – слой температурного скачка.

 

В 2022 г. в период экспедиции (26–31 июля) температурная стратификация водохранилища была также хорошо выражена, СТС располагался на глубинах 15–20 м и занимал относительно постоянное положение. Средневзвешенная температура воды по профилю составляла 8.5 °C. Самые низкие температуры были у дна (3.9–4.1 °C) – в Большом море и Каньоне (станции 9, 10, 13–16), самые высокие (до 5 °C) – в Малом и Среднем морях (25, 36, 37, 41), в заливах и реках. На поверхности температура воды достигала 26 °C (см. рис. 2а). Также высокая температура была в реках Зее и Арги во время дождевого паводка – до 23 °C. Водная толща водохранилища была насыщена кислородом по всей глубине, зон аноксии не выявлено. Средневзвешенная величина насыщения O₂ по продольному профилю составляла 71%. Наименее насыщенные O₂ зоны были выявлены в области наибольших глубин в Каньоне, а также в Среднем море в придонном слое, при этом величины насыщения превышали 55%. Максимальная концентрация растворенного кислорода (до 115% насыщения) зафиксирована в поверхностном слое воды в Большом море (станции 9, 10) (см. рис. 2б), минимальная – в придонном слое воды в Малом море (станции 7, 37) (около 50%). Река Арги в период начала дождевого паводка была насыщена кислородом до 100%, что может быть связано как с поступлением аэрированных дождевых вод непосредственно в водоток, так и с фотосинтетической активностью фитопланктона в водах реки. Максимальные значения минерализации, как и ранее, отмечались в воде устьев рек Зея и Арги (32.7 и 42.8 мг/дм³). Также высокая минерализация наблюдалась в придонном слое в Каньоне (до 30–33 мг/дм³) и по всей водной толще в Малом море (около 30 мг/дм³). (см. рис. 2в). Наименьшая минерализация наблюдалась на границе Каньона и Большого моря, а также в Среднем море (вдали от устьев рек).

Содержание метана в воде

Осенью 2021 г. средневзвешенная концентрация СН₄ в воде составила 1.34 мкл/л. Повышенные концентрации наблюдались в Малом море (станция 6) (от 3–5 до 30 мкл/л) и особенно в зоне выклинивания подпора – в зоне впадения р. Арги (до 49 мкл/л). Пониженные концентрации (менее 3 мкл/л) выявлены в Каньоне (станции 13–16). Минимальные концентрации СН₄ в воде наблюдались в Большом море (станции 9, 10) и вблизи плотины (станции 15–16) (менее 1 мкл/л) (рис. 3).

 

Рис. 3. Содержание СН₄ в воде по продольному профилю Зейского водохранилища по данным экспедиционных работ в сентябре 2021 г. (слева) и июле 2022 г. (справа). Обозначения: 1 – станции и их номера, 2 – точки измерения на вертикали, 3 – слой температурного скачка.

 

В сентябре 2021 г. в верховьях водохранилища концентрации СН₄ в воде были на порядок больше, чем в июле 2022 г., когда объем притока речных вод был значительно ниже.

Летом 2022 г. средневзвешенная концентрация СН₄ в воде составила 1.01 мкл/л. Максимальные его концентрации установлены в р. Зее и р. Арги (соответственно 5.3 мкл/л и 12.5 мкл/л). Повышенные значения (до 3–5 мкл/л) выявлены в верхней части Малого моря. Пониженные значения СН₄ (0.1–1.0 мкл/л) – в Каньоне и в центре основной акватории (станции 9, 10). Минимальные концентрации СН₄ (порядка 0.10–0.15 мкл/л) отмечены у плотины на глубинах 30–70 м (см. рис. 3). В заливах в целом концентрация СН₄ в воде выше, чем на глубоких станциях.

В 2021 г. запас метана в воде Зейского водохранилища был значительно больше, чем в 2022 г. Различие в запасах метана было приблизительно пропорциональным объему водохранилища на момент проведения работ (табл. 4).

 

Таблица 4. Средневзвешенная концентрация и запас метана в воде Зейского водохранилища

Даты (период экспедиции)	Уровень воды, м. абс.	Средневзвешенная  концентрация СН₄  в воде, мкл/л	Объем водохранилища, км³	Запас СН₄, м³
17–23 сентября 2021	318.01–317.89	1.34	75.4	101 200
26–31 июля 2022	311.65–311.69	1.01	60.7	60 700

 

Удельный поток с акватории и выброс метана при дегазации на плотине ГЭС

В период экспедиционных исследований в сентябре 2021 г. концентрации СН₄ в воздухе над акваторией водохранилища варьировались в пределах 1.8–2.8 ppm. На открытой акватории удельный поток СН₄ изменялся в диапазоне 0.7– 5.1 мгСН₄/м²/сут (рис. 4а). Существенно более высокие значения удельного потока СН₄ выявлены в устье р. Арги (36–57 мгСН₄/м²/сут) и в мелководном заливе («горячая точка») на границе Большого моря и Каньона (станция 2) (31– 246 мгСН₄/м²/сут). Большой разброс значений удельного потока (на порядок), вероятно, связан с его интенсивным переносом в составе газовых пузырей, выделяющихся из донных отложений.

 

Рис. 4. Удельные потоки метана с поверхности Зейского водохранилища в сентябре 2021 г. (а) и июле 2022 г. (б). В числителе приведен диапазон измеренных потоков (мгСН₄/м²/сут), в знаменателе – глубина водохранилища на станции (м). Красным ромбом обозначено местоположение «горячей точки» в 2021 г.

 

В период исследований в июле 2022 г. концентрации CH₄ в воздухе составляли 2–3 ppm. Удельный поток CH₄ варьировался в пределах 0.9–42 мгСН₄/м²/сут с отдельным выпадающим измеренным максимумом 137 мгСН₄/м²/сут в р. Унаха (рис. 4б). По сравнению с осенью 2021 г. значения потока метана в Большом море отличались не значительно. В Каньоне в июле 2022 г. удельный поток СН₄ был в 2–3 раза больше (5–9 мгСН₄/м²/сут), чем в 2021 г.; в Малом море – заметно больше. В устье р. Арги в июле 2022 г. наблюдались сопоставимые с сентябрем 2021 г. величины удельного потока метана. Благодаря увеличению количества станций наблюдения в заливах в 2022 г., получены дополнительные сведения о пространственном распределении значений удельного потока СН₄. Максимальные его потоки выявлены в устье р. Арги, в отдельных заливах и Малом море, минимальные – над руслом в Большом море и Каньоне.

 

Рис. 5. Изменение удельного потока метана в атмосферу и его концентраций в воде Зейского водохранилища с глубиной станции в теплый период по объединенным данным съемок в 2021 г. и 2022 г.: 1 – удельный поток метана, 2 и 3 – соответственно содержание метана в придонном и поверхностном слоях воды.

 

Выявлена общая тенденция обратной связи концентраций СН₄ с глубиной станций. Эта связь имеет общий вид, близкий к степенной зависимости (рис. 5), однако велика изменчивость тесноты этой связи во времени (в 2021 г. связь теснее, чем в 2022 г.). Эту связь нельзя рассматривать, как расчетное уравнение (R²~0.4), а только как иллюстрацию закономерности и как ориентир для выявления условий наиболее сильной неопределенности этой связи. Наибольший разброс потока и концентраций СН₄ наблюдаются при глубинах станций 10–30 м. Наиболее устойчивые низкие потоки наблюдаются на участках с глубинами более 30 м.

Осенью 2021 г. в условиях работы поверхностного водосброса выброс СН₄ при дегазации составил 175 кгСН₄/сут (менее 0.1% от общей эмиссии). В день отбора проб в верхнем и нижнем бьефе ГЭС содержание СН₄ в верхнем бьефе на горизонте водозабора турбин было 0.25 мг/м³, на горизонте водосброса 0.96 мг/м³,в нижнем бьефе 0.12 мг/м³. Расход воды через турбины был 1038 м³/с, через водосброс 2238 м³/с [http://www.rushydro.ru/].

В теплый период 2022 г. поверхностный водосброс на плотине не использовался – не было необходимости в холостых сбросах из-за низкого притока. В день отбора проб в верхнем и нижнем бьефе ГЭС содержание СН₄ в верхнем и нижнем бьефе было приблизительно одинаковым на уровне 0.1–0.15 мг/м³, эта величина сопоставима с точностью измерения концентрации СН₄ в воде. Расход воды через турбины был 726 м³/с. Таким образом, принято, что в период работ в 2022 г. выброс СН₄ при сбросе воды через плотину в нижний бьеф не происходил.

Районирование акватории

Существует морфологическое районирование Зейского водохранилища, согласно которому водоем по его длине разделен на 8 районов [Шестеркин, 2015].

В рамках настоящей работы на акватории Зейского водохранилища авторами выделено 7 районов. Эти районы выделены экспертно, опираясь на материалы полевых работ теплого периода 2021 и 2022 гг., а также на результаты работ, выполненных в марте 2022 г. [Терский и др. 2023]. При проведении районирования учитывались следующие показатели: преобладание выраженной водной массы (ВМ); пространственная обособленность; наличие значительных притоков; величина, диапазон, характер изменения содержания и потоков СН₄, выявленные в ходе экспедиций 2021–2022 гг. Характеристика районов приведена в табл. 5, схема районирования – на рис. 6.

 

Рис. 6. Схема районирования акватории Зейского водохранилища (нумерация и названия районов соответствуют таблице 5).

 

Таблица 5. Характеристика районов Зейского водохранилища

Номер района	Название района	Характеристика
1	Каньон – Приплотинная часть (ниже Гилюйского залива)	Наиболее глубокая часть водохранилища (до 95 м). Формирование ВМ обусловлено соединением водохранилищной и Гилюйской водных масс. Ветровое перемешивание значительно слабее, чем в Большом море. Берега скалистые.
2	Каньон – верхняя часть (выше Гилюйского залива)	Глубоководная часть водохранилища (до 86 м). Преобладает водохранилищная ВМ. Ветровое перемешивание значительно слабее, чем в Большом море. Берега скалистые.
3	Гилюйский залив	Залив в долине р. Гилюй (глубина до 86 м). Выделяется Гилюйская ВМ, обусловленная значительным речным притоком. Вода имеет повышенную минерализацию. Ветровое перемешивание значительно слабее, чем в Большом море. Зимой ледяной покров не везде однородный – наблюдаются полыньи и каверны.
4	Большое море	Относительно глубоководная часть водохранилища (глубины от 30–40 до 50–60 м). Русло р. Зеи под водой практически не выражено. Ветровое перемешивание затрагивает только верхние горизонты, глубина слоя температурного скачка не одинакова по площади. На глубинах ниже 30 м преобладает зимняя водохранилищная ВМ. Широкие осушки при низком уровне воды на участках абразионно-аккумулятивных берегов.
5	Среднее море	Относительно мелководная часть водохранилища (глубины до 30–35 м). Русло р. Зеи под водой выражено слабо. Ветровое перемешивание затрагивает только верхние горизонты.
6	Мелководные заливы с крупными притоками	Мелководные участки водохранилища (менее 20 м при НПУ). Заливы, в которые впадают относительно крупные притоки (Брянта-Унаха- Утугай, Темна, Уркан, Мульмуга). Летом наблюдается повышенная минерализация у дна, температура воды у дна более 5 °C. Ветровое перемешивание затрагивает значительную часть толщи воды. Берега низкие, часто заболоченные.
7	Малое море	Мелководная часть водохранилища (глубины до 20 м), русло узкое, старая долина под водой хорошо выражена, на мелководьях стволы деревьев над водой. Сильное влияние бокового притока и р. Зеи на распределение температуры, кислорода и особенно метана, сгонно-нагонные нарушения температурной стратификации по всей толще. Особенно сильно влияние р. Арги, выраженное в повышенных концентрациях СН₄ во всей толще.

 

Эмиссия метана с поверхности Зейского водохранилища

Значения удельного потока СН₄ осенью 2021 г. (табл. 6) был заметно ниже, чем летом 2022 г. (табл. 7). Коэффициент эмиссии СН₄ за вегетационный период составил 8.6–11.1 кг CH₄ га/год и 13.2–17.4 кг CH₄ га/год в 2021 и 2022 гг. соответственно. Наименьший вклад в эмиссию СН₄ дает глубоководная узкая приплотинная часть Каньона, а наибольший – обширное Большое море, особенно в условиях небольшого притока речных вод в маловодный теплый период 2022 г.

 

Таблица 6. Общая эмиссия и коэффициент эмиссии СН₄ с поверхности Зейского водохранилища осенью 2021 г.

Район	Номер Района  (см. рис. 6)	17–23 сентября 2021
		Площадь  района, км²	Средний (удельный)  поток, мгСН₄/м²/сут	Диапазон измеренных  потоков, мгСН₄/м²/сут	Общая эмиссия метана, тСН₄/сут	Коэффициент эмиссии, кг CH4 га/год  (135 сут)
Приплотинная часть Каньона	1	73.4	3.3	2.1–5.2	0.2	4.4
Верхняя часть Каньона	2	115.5	2.2–45*	0.1–246*	0.2–5.2	2.8–62
Гилюйский залив	3	36.8	2.3	0.7–3.9	0.1	3.1
Большое море	4	1296	3.9	0.7–4.6	5.1	5.3
Среднее море	5	444	4.8	1.8–9.8	2.1	6.4
Заливы	6	437	6.5–13	3.2–29	2.8–5.7	8.8–17
Малое море	7	218	11–26	0.7–56	2.5–5.6	15–35
“Горячая точка” (3–5% от района 2)	-	-	138	30.5–246	0.48–0.8	-
Выброс на плотине	-	-	-	-	0.175	-
ВСЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ		2621	6.4–8.3	0.7–246	16.7–21.7	8.6 – 11.1

* верхняя граница диапазона измеренного и среднего удельного потока для данного района указана для сценария, при котором «горячая точка» учтена в качестве одной из станций района

 

Таблица 7. Общая эмиссия и коэффициент эмиссии СН₄ с поверхности Зейского водохранилища летом 2022 г.

Район	Номер  района  (см. рис. 6)	26–31 июля 2022
		Площадь района, км²	Средний (удельный)  поток, мгСН₄/м²/сут	Диапазон  измеренных  потоков, мгСН₄/м²/сут	Общая эмиссия метана, тСН₄/сут	Коэффициент  эмиссии, кг  CH4 га/год (135 сут)
Приплотинная часть Каньона	1	63.4	7.4–9.8	7.2–12	0.5–0.6	10–13
Верхняя часть Каньона	2	106	4.6–6.1	3.6–9.3	0.5–0.6	6.1–8.2
Гилюйский залив	3	30.7	8.7	7.2–10.2	0.3	12
Большое море	4	1213	6.2–9.1	1.2–28.7	7.5–11	8.4–12
Среднее море	5	408	7.9–9	2.5–19.6	3.2–3.7	11–12
Заливы	6	315	27–35	2.2–137	8.4–11	36–48
Малое море	7	151	13–16	2.9–42	2.0–2.4	18–22
Выброс на плотине	-	-	-	-	0	-
ВСЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ		2287	9.8–13	1.2–137	22.4–29.8	13.2–17.4

 

Отдельные «горячие точки», несмотря на их малую площадь, могут также давать весомый вклад в общую эмиссию метана. Оценка этого вклада очень сильно зависит от способа их учета при расчете общей эмиссии. Для нижней оценки «горячие точки» и станции на мелководьях учитывались с тем же весом, что и остальные станции в пределах района. Для верхней оценки были рассчитаны площади мелководий (до 30 м), которые использовались в качестве весовых коэффициентов при учете мелководных станций в пределах районов.

ОБСУЖДЕНИЕ

В соответствии с работой [Эдельштейн и др., 1984] в Зейском водохранилище в теплый период года выделялись три основные водные массы (ВМ): Зейская речная, Гилюйская речная, Водохранилищная в различных сезонных модификациях. Речные ВМ присутствовали в основном в непосредственной близости от устьев соответствующих рек. Гилюйская ВМ также обнаруживалась в Каньоне вблизи Гилюйского залива. Само водохранилище в основном было заполнено водохранилищной ВМ в следующих модификациях: зимняя придонная, летняя центрального района (мы этот район называем «Большим морем»), летняя нижнего района.

В теплый период 2021 и 2022 гг. нами выделено четыре ВМ, которые были характерны для Зейского водохранилища уже в первые годы после его наполнения (Эдельштейн и др., 1984). Зимняя водохранилищная ВМ, расположенная в придонном слое воды в Каньоне и Большом море ниже 20–40 м, характеризуется относительно высокой минерализацией (до 45 мг/л), очень низкой температурой воды (около 4–6 °C) и однородным содержанием кислорода на уровне 50–60% (которое было характерно для зимы 2022 г, когда авторами также выполнялись экспедиционные исследования). Гилюйская ВМ, примыкающая к нижней части Каньона, в слое 10–25 м, характеризуется более низкой минерализацией (около 25–30 мг/л) и повышенным содержанием кислорода (до 100–105% летом 2022 г.). Летняя водохранилищная ВМ, расположенная в верхнем слое водной толщи (до 10–15 м от поверхности), распространена в Каньоне, Большом и Среднем море. Речная ВМ, в основном Зейская, заполняет, главным образом, верховья водоема и Малое море. Не только сток р. Зея, но также ветер и остальные притоки, приводят к неоднородности распределения характеристик по глубине.

Сгонно-нагонные явления, как и ветровое перемешивание, являются существенным фактором аэрации воды на глубинах ниже СТС и окисления СН₄ в воде широкой части акватории. В Каньоне влияния сгонно-нагонных явлений не выявлено. Вследствие высокой частоты сильных ветров в летне-осенний период характер температурной стратификации Зейского водохранилища неоднороден по площади акватории. Зоны апвеллинга были выявлены в ходе экспедиционных наблюдений в Большом море в 2021 г. и в Малом море в 2022 г. Скорее всего, пространственная неоднородность в Большом море в целом характерна для осени. Возможно, что сгон поверхностной ВМ и апвеллинг придонной ВМ – это один из главных механизмов перемешивания придонной воды в Зейском водохранилище. Несмотря на то, что апвеллинг – явление, характерное в большей степени для морей и океанов, это нередкость и для больших озер и водохранилищ [Экосистема Онежского озера…, 1990].

В ходе полевых работ в 2022 г после ночного обильного дождя на берегу был обнаружен ручей (далее, ручей Зимовье), вытекающий из болотного массива и впадающий в Малое море Зейского водохранилища. Предположительно, ручей течет по кровле многолетнемерзлых пород. Температура воды в ручье составляла 6.0°C. Его химический состав отличался очень высокой цветностью, содержанием железа и органического вещества, более низким показателем рН, низкой минерализацией, но очень высоким содержанием органического углерода (ОУ). Склоновый сток с болотных массивов на многолетнемерзлых породах, по-видимому, сам по себе не приносит СН₄ в водоем, но может приносить большое количество органического вещества, которое, осаждаясь, способствует продуцированию СН₄ в донных отложениях. В пользу гипотезы мерзлотного происхождения ручья Зимовье свидетельствуют и сведения о талых мерзлотных водах, приведенные в литературных источниках. Так, экспедиционные исследования в 2020 г. в верховьях р. Бурея [Tashiro et. al., 2020] показали, что в сезон таяния снега в переувлажненных поверхностных почвах образуется большое количество растворенного ОУ вместе с растворенным железом (Fe), что приводит к значительному транспорту Fe и ОУ. Летние дожди не только увеличивают концентрацию Fe и ОУ в реках, но и способствуют накоплению Fe в почвах на многолетнемерзлых породах в пределах водно-болотных угодий. В обследованном ручье содержание СН₄ в воде было очень низким – 0.09 мкл/л.

Выброс СН₄ при сбросе воды в нижний бьеф может вносить большой вклад в общее поступление СН₄ в атмосферу из водохранилищ. Согласно исследованиям амазонских водохранилищ, около 70% СН₄ диффундирует в атмосферу при сбросе вод через плотину в нижний бьеф [Kemenes, 2016]. На плотине Зейской ГЭС в отсутствие сработки через поверхностные водосбросы в 2022 г. выброс СН₄ в атмосферу не выявлен, а осенью 2021 г., когда был сброс вод через плотину в нижний бьеф, выброс метана в атмосферу составлял 175 кгСН₄/сут или 0.09% от общей эмиссии СН₄ за теплый период. При этом, зимой 2022 г. поток составил 27.4 кгСН₄/сут, даже в отсутствие работы поверхностных водосбросов [Терский и др., 2023], и, по-видимому, являлся единственным источником выброса СН₄ в период ледостава.

Основной автохтонный источник СН₄ в Зейском водохранилище – донные отложения мелководной части акватории, поскольку прослеживается закономерность уменьшения потоков метана от берегов к центру водоема. Мелководные заливы, дно которых покрыто регулярно поступающим древесным материалом с берегов (такой вывод сделан по наличию органической взвеси и древесных остатков на дне таких заливов), распространены на отдельных участках береговой линии, и, по-видимому, не являются площадным источником СН₄, а скорее точечным в масштабе всего водоема. Несмотря на повышенные на несколько порядков потоки СН₄ в таких заливах, его концентрации в воде вблизи берегов всего на несколько мкл/л выше фоновых.

Главный аллохтонный источник СH₄ – это р. Арги – крупный болотный приток водохранилища в его верховьях. В результате всех экспедиционных исследований, в том числе зимних работ в марте 2022 г. [Терский и др., 2023], выявлено, что р. Арги – один из крупных притоков Зейского водохранилища, дренирующего обширный болотный массив, является значимым источником поступления СН₄ и органического вещества в водоем. Это относительно большая река (F=7090 км², L=350 км), сопоставимая с самой Зеей, составляет примерно 9% от всей площади водосбора Зейского водохранилища в верховьях. Вода р. Арги при впадении в водохранилище насыщена сероводородом и СН₄, имеет высокую минерализацию и цветность, низкое содержание кремния и кислорода.

Оценки удельных потоков СН₄ (0.1–56 мгСН₄/м²сут), полученные авторами в ходе описываемых в настоящей статье экспедиционных исследований в Зейском водохранилище, в целом согласуются с мировыми данными. В работе [Varis et. al., 2012] для водохранилищ бореальной зоны приведен диапазон эмиссии СН₄, составляющий 1–100 мгСН₄/м²сут. В Зейском водохранилище авторами выявлены зоны как с очень небольшим потоком СН₄, так и отдельные «горячие точки» с величиной потока, превышающей верхнюю границу этой оценки.

Коэффициенты эмиссии СН₄ из Зейского водохранилища в 2021 и 2022 гг. (8.6–17.4 кг СН₄/га) соответствуют коэффициентам, представленным в дополнениях к руководящим принципам МГЭИК 2019 г., которые были сформированы более 20 лет назад [https://www.ipcc.ch/report/2019-refinement-to-the-2006-ipcc-guidelines-for-national-greenhouse-gas-inventories/]. Представленный МГЭИК 2019 для водохранилищ бореальной зоны коэффициент составляет 13.6 кг СН₄/га (с пределами 95% доверительного интервала среднего значения 7.3–19.9 кг СН₄/га).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках настоящего исследования впервые на Зейском водохранилище выполнены натурные измерения концентрации СН₄ в воде и его удельных потоков с водной поверхности вместе с гидролого-гидрохимической съемкой в теплые периоды относительно многоводного 2021 г. и маловодного 2022 г. По сравнению с сентябрем 2021 г., в июле 2022 г. запас теплоты в Зейском водохранилище был значительно меньше, несмотря на более высокую температуру поверхностного слоя воды. Минерализация была выше, а содержание кислорода в среднем практически одинаково.

Содержание СН₄ в воде и его удельные потоки уменьшаются от берегов и заливов к центру водохранилища. По-видимому, основными источниками органического вещества и метана являются заболоченные притоки, а также прибрежные участки акватории, куда поступает сток органического вещества с берегов. Общая эмиссия СН₄ с поверхности Зейского водохранилища значительно выше в летний период 2022 г., когда наблюдается максимальный прогрев мелководий, даже несмотря на меньшую площадь акватории, чем осенью 2021 г. Согласно проведенным авторами оценкам, общая эмиссия СН₄ с водной поверхности Зейского водохранилища в осенний период 2021 г. составила 16.7–21.7 тСН₄/сут, в летний период 2022 г. – 22.4–29.8 тСН₄/сутки.

Выброс метана во время сработки воды через сооружения гидроузла в теплый период связан с режимом работы поверхностных водосбросов. В отсутствие работы поверхностного водосброса летом 2022 г. выброса метана не происходило. Осенью 2021 г., несмотря на наличие поверхностного водосброса, выброс СН₄ был незначительным (0.175 тСН₄/сут), составляя около 0.09% от общей его эмиссии с водной поверхности Зейского водохранилища.

About the authors

P. N. Terskii

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per., 3, Moscow, 119017; Gubkina street 3, Moscow, 119333

S. L. Gorin

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per., 3, Moscow, 119017; Verkhnyaya Krasnosel’skaya 17, Moscow, 105187

I. A. Repina

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Research Computing Centre, Moscow State University, GSP-1

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per., 3, Moscow, 119017; Leninskie Gory, 1, p. 4, Moscow, 119234

S. A. Agafonova

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Faculty of Geography, Moscow State University, GSP-1

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per., 3, Moscow, 119017; Leninskie Gory 1, Moscow, 119991

M. V. Zimin

Faculty of Geography, Moscow State University, GSP-1

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Leninskie Gory 1, Moscow, 119991

V. P. Shesterkin

Institute of Water and Environmental Problems, Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Dikopoltseva street 56, Khabarovsk, 680000

F. A. Shchekotikhin

Faculty of Geography, Moscow State University, GSP-1

Email: pavel_tersky@mail.ru
Russian Federation, Leninskie Gory 1, Moscow, 119991

References

Supplementary files