Hydrochemical regime of the Lena river in august 2018

Full Text

Многолетние изменения стока речных вод, взвешенных и растворенных веществ крупнейших рек Сибирской Арктики, чьи водосборы подстилаются многолетнемерзлыми породами, оказывают заметное влияние на стратификацию и циркуляцию морских водных масс, многолетнюю динамику морского льда и баланс химических веществ в прибрежной зоне Северного Ледовитого океана (СЛО).

Представленная в статье информация основана на результатах полевых работ, охвативших среднее и нижнее течение р. Лены от г. Якутска до пос. Кюсюр и проводившихся с 14 по 22 августа 2018 г. на пассажирском теплоходе «Механик Кулибин». Исследования выполнялись по проекту Российского фонда фундаментальных исследований «Влияние изменений климата на сток воды, наносов и растворенных веществ арктических рек России в первой половине XXI века» в рамках темы «Фундаментальные проблемы изучения и освоения Российской Арктики: природная и социальная среда». Основные задачи полевых исследований в рамках данного проекта включают: (а) определение расширенного набора гидрохимических показателей в замыкающем створе р. Лены и створах наблюдений в среднем и нижнем течении реки; (б) детальные исследования сезонной динамики гидрохимических характеристик реки на основе учащенного отбора проб воды в период половодья и паводков.

Расположение станций отбора проб в экспедиции 2018 г. приведено на рисунке; в каждом створе пробы отбирали дважды — при движении вниз и вверх по течению. На этом участке площадь водосбора р. Лены увеличивается от 1.0 до 2.4 млн км ², что связано с впадением крупных притоков: правобережного, р. Алдан, и левобережного, р. Вилюй, устье которого — граница между средним и нижним течением реки Лены. Водный режим реки — восточно-сибирский, с высоким весенне-летним половодьем (май–июнь), несколькими летними паводками и продолжительной зимней меженью [1]. Питание реки — талыми, дождевыми и подземными водами. В нижнем течении реки зимний сток увеличился в несколько десятков раз после строительства Вилюйской ГЭС [8].

 

Рис. Схема расположения станций в среднем и нижнем течении р. Лены в августе 2018 г.

 

Экспедиционные исследования проводились на спаде высокого дождевого паводка, сформировавшегося в южной части водосбора Лены, в бассейнах рр. Витим и Олекма.

Отбор проб проводился из приповерхностного слоя воды, с борта судна в движении либо во время остановки (рисунок). В полевых условиях образцы воды отбирали для определения содержания главных ионов, биогенных элементов, элементного состава, содержания стабильных изотопов воды, также были подготовлены фильтры для определения весовой мутности и потерь при прокаливании. Образцы для определения содержания растворенного органического углерода (РОУ) фильтровали через предварительно прокаленные и взвешенные стекловолоконные фильтры Whatman GF/F, для определения элементного состава — через шприцевые фильтры Corning с диаметром пор 0.22 мкм. До анализа в лаборатории образцы для определения биогенных элементов и фильтры для определения потерь при прокаливании сохраняли замороженными.

Лабораторное определение содержания главных ионов проводили методами титриметрии и капиллярного электрофореза в аналитической лаборатории ИМЗ СО РАН, г. Якутск. Определение стабильных изотопов воды были проведены в лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ в г. Екатеринбурге методом инфракрасной лазерной спектроскопии (cavity ring-down spectrometry) на приборе Picarro L2130i. Определение элементного состава выполняли методом масс-спектрометрии или атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в аккредитованном аналитическом центре ВИМС им. Н. М. Федоровского, г. Москва.

В лаборатории ФГБНУ «ВНИРО» гидрохимические определения содержания биогенных элементов выполняли спектрофотометрическими методами, принятыми при анализе пресных вод [2]. Содержание РОУ в основных образцах определялось методом каталитического высокотемпературного сжигания при 680°C на приборе Shimadzu TOC-Vcph, в контрольных образцах, обработанных в Институте леса им. В. Н. Сукачева КНЦ СО РАН, — высокотемпературным сжиганием при 850°C.

Изменчивость гидрохимических характеристик по длине реки — интегральный показатель изменчивости переменных, определяющих атмосферное, поверхностное и подземное питание реки: интенсивности снеготаяния, атмосферных осадков в равнинной и горной частях водосбора, сплошности многолетнемерзлых пород и динамики слоя сезонного протаивания. Биохимические процессы в водной толще, в первую очередь потребление и деструкция, оказывают влияние на изменчивость содержания биогенных элементов. Период исследований характеризуется, с одной стороны, спадом высокого дождевого паводка, сформировавшегося в южной части водосбора Лены, переходом реки на подземное питание, с другой стороны — окончанием биологического лета, началом затухания продукционных процессов.

Воды р. Лены, по классификации О. А. Алекина, относятся к гидрокарбонатно-кальциевому типу. В исследуемый период значимая корреляционная связь общей минерализации с содержанием ионов кальция и гидрокарбонат-ионов отсутствовала. Наиболее значимая корреляция общей минерализации (R ²>0.67, p<0.05) установлена с содержанием хлоридов и натрия. Предположительно, это связано с влиянием на ионный состав вод реки Лены в меженный период хлоридно-натриевых подземных вод Вилюйского бассейна [3]. Повышенные концентрации хлоридов и натрия наблюдались в зоне влияния вод р. Вилюй — 15.67 мг/дм ³ и 10.10 мг/дм ³, минимальные значения в узле слияния рр. Лены и Алдана — 0.39 мг/дм ³ и 1.00 мг/дм ³ соответственно. Содержание главных ионов по длине реки и во времени остается относительно неизменным, за исключением магния, содержание которого уменьшается от среднего течения к нижнему, хлоридов и натрия, содержание которых отражает химический состав вод притоков. Диапазон изменений концентраций основных ионов (таблица) и РОУ в летний период незначительно отличается от данных, полученных другими авторами в сходных гидрологических условиях [4–7].

 

Таблица. Ионный состав и величина рН вод р. Лены от г. Якутска до пос. Кюсюр в период с 14 по 22.08. 2018 г. и в июле–августе 2010 г. [5]

Период	14–22 августа 2018 г.		Июль–август 2010 г. [5]
Характеристика	Диапазон	Средн.	Диапазон	Средн.
Са2+, мг/дм3	11.2–16.7	14.4	15.2–18.9	16.8
K+, мг/дм3	0.40–0.80	0.59	0.5–1.1	0.6
Mg2+, мг/дм3	2.81–4.84	3.83	3.6–4.5	4.0
Nа+, мг/дм3	1.0–11.80	5.01	4.1–8.8	5.5
Сl–, мг/дм3	0.39–15.67	7.50	4.7–13.5	7.1
SO42–, мг/дм3	9.9–18.1	11.8	8.8–18.1	10.6
HСO3–, мг/дм3	40.81–57.22	49.66	12.0–50.8	27.8
Li+, мг/дм3	0–0.002	0	-	0.010
Ba2+, мг/дм3	0	0	0.007–0.016	0.013
Sr, мг/дм3	0.045–0.261	0.137	0.124–0.148	0.130
pH, ед. рН	6.6–7.06	6.83	6.9–7.9	-

 

Содержание взвешенного органического углерода находилось в пределах от 1.62 до 3.56 мг/дм ³, РОУ — от 7.72 до 12.40 мг/дм ³, мутность — от 6.76 до 35.6 мг/дм ³. Наиболее высокие концентрации РОУ (от 9.5 до 12.4 мг/дм ³), и общего железа (среднее содержание 0.054 мг/дм ³) наблюдались в образцах, отобранных около левого берега, тогда как ближе к правому берегу — от 7.72 до 8.61 мг/дм ³ и 0.035 мг/дм ³ соответственно.

Содержание минеральных форм азота и фосфора мало, что характерно для конца летнего сезона, когда процессы фотосинтеза еще преобладают над деструкцией органического вещества. В итоге азот и фосфор вносят незначительный вклад в общий сток биогенных элементов в этот период (таблица). Воды р. Лены характеризуются повышенными концентрациями растворенного кремния (1.74–2.84 мг/дм ³), пространственно-временная изменчивость которого определяется его поступлением с основными притоками и потреблением в процессе фотосинтеза. По содержанию растворенного кремния выделяются станции в районе с. Жиганск с концентрациями от 2.62 до 2.72 мг/дм ³, максимальные значения 2.84 мг/дм ³ наблюдались на средней Лене ниже г. Якутска.

Изотопный состав вод р. Лены существенно облегчен, что связано с континентальностью бассейна, его удаленностью от источников влаги, а также возможным влиянием подземного стока. Среднее по коллекции 2018 г. значение δ¹⁸О составило -18.2‰, максимальное -17.5‰, минимальное -18.8‰. Полученные значения легче, чем среднее из августовских образцов (δ¹⁸О = -17.5‰, n = 8), собранных на гидрологическом посту (г. п.) Якутска в 1995–1999 гг. в рамках проекта GNIR (Global Network for Isotopes in Rivers), и тяжелее, чем такое же среднее (δ¹⁸О = -18.6‰, n = 7) по данным проекта ArcticGRO, проводящего наблюдения на г. п. Жиганск, за 2004–2018 гг. Во время экспедиционных работ изотопный состав становился незначительно легче с падением расхода воды.

Высокое содержание железа — от 0.13 до 0.26 мг/дм ³, алюминия — от 0.12 до 0.2 мг/дм ³, увеличивающееся вниз по течению, типично для рек зоны вечной мерзлоты с неглубоким слоем сезонного протаивания, обилием болотистых и тундровых земель. Большая часть железа, до 70%, содержится в водах р. Лены в форме органоминеральных коллоидов; индикаторное отношение U/Th<1. Общее содержание редкоземельных элементов — высокое, от 0.99 до 2.61 мкг/дм ³, что говорит о значительном влиянии подземных источников на химический состав речных вод. Содержание большинства химических элементов по длине реки и во времени остается относительно неизменным, за исключением тория, содержание которого в водах нижнего течения в 2–3 раза меньше, и молибдена, содержание которого незначительно уменьшается с уменьшением расхода воды. На спаде паводка увеличивается содержание стронция (от 0.1 до 0.17 мг/дм ³), и уменьшается — фтора (от 0.1 до 0.05 мг/дм ³).

По результатам экспедиционных исследований подготовлена электронная база данных, включающая более 2500 элементоопределений для 80 показателей химического состава одной их крупнейших рек Арктики. Полученные материалы позволят количественно оценить потоки растворенных и взвешенных веществ в направлении от истока к устью реки Лены, установить закономерности трансформации этих потоков и их межгодовую изменчивость.

Источник финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 18-05-60240-Арктика.

About the authors

A. G. Georgiadi

Institute of Geography RAS

Author for correspondence.
Email: marecol@vniro.ru
Russian Federation, Moscow

N. L. Tananaev

Melnikov Permafrost Institute SB RAS

Email: marecol@vniro.ru
Russian Federation, Yakutsk

L. A. Dukhova

Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography

Email: marecol@vniro.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files