Organic matter runoff from the Don River into the Sea of Azov in the low water period 2007–2020

全文:

ВВЕДЕНИЕ

На фоне современных климатических изменений для многих рек умеренного и субтропического климатических поясов свойственно проявление признаков маловодья [46, 51]. Характер атмосферных осадков становится более изменчивым, все чаще наводнения перемежаются засухами. Так, сильные засухи (в 2015, 2020, 2022 гг.) в странах Европы оказали существенное влияние на площадь водоемов [44, 52]. Экстремально низкие уровни воды отмечены в крупнейших реках, включая Янцзы в Китае, Рейн в Западной Европе, Миссисипи в США и др. [50].

Изменения водного режима рек Российской Федерации имеют различный характер как по направленности, так и по степени выраженности. В целом, на Европейской территории России в последние десятилетия проявляется тенденция увеличения годовых величин речного стока, связанная с общим ростом увлажненности территории [7]. Исключение – бассейны Дона, Оки и нижней Волги, где наблюдается статистически достоверный тренд снижения годового стока [15].

Текущий период (с 2007 г. по настоящее время) характеризуется маловодьем в бассейне нижнего Дона, оно самое продолжительное из наблюдавшихся в ХХ в. [19]. Вместе с изменением водности Дона происходит трансформация гидрохимического стока. Протекающие в последнее время в пределах водосбора Дона процессы все больше приобретают аномальные формы и еще мало изучены. Так, низкий уровень воды может способствовать эвтрофированию водных объектов. В годы пониженного стока фиксируют существенное увеличение концентрации фитопланктона [19]. Кроме того, дефицит речного стока приводит к увеличению общей минерализации вод. С ним связан неуклонный рост среднегодовой солености Азовского моря [5, 29].

На сегодняшний день существует немало работ, посвященных исследованию химического состава и качества вод Дона (например, [6, 9, 22, 23, 30, 31, 34, 39, 40]), в которых уделено внимание пространственно-временным особенностям гидрохимического режима реки. Однако в большинстве этих работ химический состав вод характеризуется относительными величинами (ПДК, проценты, соотношения, индексы); отбор проб проводился преимущественно в теплый период или системно раз в сезон; обработка проб осуществлялась по разным методикам. Все это существенно затрудняет использование представленных данных в расчетах и анализ химического стока.

Современные оценки стока веществ с водами р. Дон в Азовское море редки, так как требуют больших массивов первичных данных, которые отсутствуют в открытом доступе. В работе [38] на основе данных экспедиционных наблюдений ЮНЦ РАН, средних концентраций растворенного (DOC) и взвешенного (POC) органического углерода оценен вынос этих веществ с донским стоком за период 2007–2015 гг. Сток общего органического вещества (TOM), рассчитанный с использованием данных определения химического потребления кислорода (ХПК), опубликован в ежегодниках Росгидромета “Качество поверхностных вод Российской Федерации”. В Атласе [9] представлены карты распределения величин основных гидрохимических параметров стока. В работе [26] с использованием статистического моделирования оценен твердый сток р. Дон за 2009–2020 гг., отмечено существенное сокращение выноса взвешенных веществ (до 91%) по сравнению с условно-естественным периодом.

Гидрохимический сток служит важным показателем функционирования природно-территориальных комплексов, характеризует перемещение и трансформацию вещества и энергии в водосборном бассейне и необходим для объективной оценки геоэкологического состояния территорий и экосистем водных объектов. В современных условиях маловодья требуется системное представление о текущем стоке органических и минеральных веществ с р. Дон в Азовское море.

Цель настоящей работы – оценка стока органических веществ и взвесей с р. Дон в последний маловодный период. Решались следующие задачи: 1) заполнение пробелов в рядах данных, возникших из-за нерегулярности наблюдений, при помощи статистического моделирования; 2) определение сезонных и межгодовых особенностей стока веществ; 3) установление связи между концентрацией веществ и расходом воды; 4) сравнение современных оценок стока органических веществ, полученных с использованием данных прямых измерений и данных косвенного метода определения органического вещества (ОВ) по ХПК; 5) сравнение полученных величин стока веществ с оценками предшествующих исследований в периоды с различной водностью р. Дон.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования был участок нижнего Дона от плотины Цимлянского водохранилища до устья реки (рис. 1).

Рис. 1. Карта исследуемого участка.

В результате планомерных исследований нижнего Дона, выполненных ЮНЦ РАН в течение 14 лет (2007–2020 гг.), накоплен массив данных о концентрации DOC, хлорофилла-a (Chl-a) и общего взвешенного вещества (TSS). Проведенные экспедиционные работы, которых за весь период наблюдений было свыше ста, охватывают все календарные месяцы и разные гидрологические сезоны. Инвентаризационные таблицы опубликованы в работах [21, 39, 49].

Методы анализа проб воды

Принцип подготовки и обработки проб сохранялся на протяжении всего периода исследований. Речную воду отфильтровывали через стекловолокнистые фильтры MGF (“Sartorius”) с порами диаметром 0.7 мкм. Полученный фильтрат для определения DOC хранили при температуре +4°С не более месяца до момента анализа в стационарной междисциплинарной аналитической лаборатории ЮНЦ РАН (МАЛ ЮНЦ РАН). Полученный фильтр с осадком сразу же помещали в морозильную камеру, после транспортировки в МАЛ ЮНЦ РАН определяли концентрацию Chl-a спектрофотометрическим методом по ГОСТу [10] на двухлучевом спектрофотометре “Evolution 200”. Определение DOC выполняли методом высокотемпературного сжигания (800°С) в атмосфере чистого кислорода с применением катализатора оксида церия. Образующийся диоксид углерода определяли методом оптико-акустической регистрации в ИК-области с помощью ТОС-анализатора “multi-N/C 3100” (производство “Analytik Jena”, Германия).

Содержание TSS определяли путем фильтрования пробы через предварительно прокаленный при температуре 400°C стекловолокнистый фильтр MGF (“Sartorius”) с порами диаметром 0.7 мкм, далее высушивали полученный осадок при температуре 105°C до постоянной массы, взвешивали и рассчитывали массу привеса [32]. Далее этот же фильтр со взвешенным осадком в тот же день использовали для определения POC способом мокрого сожжения с бихроматом калия при нагревании в присутствии сернокислого серебра. Концентрацию POC определяли путем умножения полученной величины бихроматной окисляемости на коэффициент 0.36 для пересчета из единиц кислорода в углерод [36].

Метод получения модельных данных

Для получения количественных оценок стока DOC и Chl-a в Азовское море с донскими водами за периоды 2007–2020 гг. (для DOC) и 2008–2019 гг. (для Chl-a) использованы результаты экспедиционных наблюдений [46] из базы данных гидрохимических показателей ЮНЦ РАН и результаты статистического моделирования, выполненного с целью заполнения пробелов в данных по концентрациям рассматриваемых веществ, возникших из-за нерегулярности сбора данных. Данных измерений РОС оказалось недостаточно, чтобы построить статистическую модель, поэтому использовались сделанные ранее [40] оценки концентрации POC в водах нижнего Дона в период 2007–2014 гг.

Статистические модели строили методом взвешенных регрессий по времени, расходу воды и сезону (Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season – WRTDS) [45]. Этот метод был применен ранее авторами статьи для оценки потоков взвешенных веществ со стоком р. Дон [25]. Метод реализован в программном комплексе для исследования и графического отображения речных трендов (Exploration and Graphics for RivEr Trends – EGRET) [42]. Метод WRTDS обеспечивает одну из самых точных количественных оценок концентраций и потоков веществ и на сегодняшний день является лучшим выбором [47, 48].

Основное преимущество метода WRTDS заключается в том, что для представления связи между концентрацией рассматриваемого вещества и расходом воды, которая непостоянна во времени, в нем используется взвешенное сглаживание. Для каждого узла расчетной сетки на основе имеющихся натурных данных, наиболее “близких” к нему с точки зрения времени, расхода воды и сезона, подбираются уникальные коэффициенты регрессионного уравнения. Значения, попадающие в разряд “близких”, определяются с помощью величин трех полуокон сглаживания (по времени, расходу воды и сезону), которые являются входными параметрами модели и подбираются опытным путем по результатам проверки ее качества. При этом важно, что каждое “близкое” значение получает свой вес, который вычисляется на основе трех расстояний (по времени, расходу воды и сезону) между точкой оценки и точкой измерения. Регрессионное уравнение, используемое в этом методе, имеет следующий вид:

$\begin{array}{c}\ln \left(c\right)={\beta }_0+{\beta }_{1}q+{\beta }_{2}T+{\beta }_3\sin \left(2\pi T\right)+\\ +{\beta }_4\cos \left(2\pi T\right)+\epsilon ,\end{array}$ (1)

где c – концентрация, мг/л; β₀ … β₄ – коэффициенты регрессии; q = ln(Q), Q – среднесуточный расход воды, м³/с; T – время в десятичных годах; ε – ошибка (необъясненная вариация).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты применения метода WRTDS

Применимость метода WRTDS зависит от наличия среднесуточных значений расхода воды для каждого дня изучаемых периодов. Это условие оказалось выполнимым только для гидрологического поста в ст. Раздорской. Для построения моделей использовано 5114 значений ежедневных расходов воды за период 2007–2020 гг. (для оценки DOC) и 4383 значения за период 2008–2019 гг. (для оценки Chl-a) из Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) [2] и Глобального центра данных о речных стоках (Global Runoff Data Centre — GRDS) [43].

Данные о концентрациях рассматриваемых веществ (108 значений концентрации DOC и 63 значения концентрации Chl-a), которые использовали для построения моделей, получены в соответствии со следующим алгоритмом: сначала выбирали данные, полученные в ст. Раздорской, а затем выбирали и усредняли данные, собранные в точках измерения (далее – станциях), наиболее близких к ней территориально.

К построенным моделям применили фильтрацию Калмана, повышающую точность оценок концентраций рассматриваемых веществ [53]: в дни с измерениями оценки модели заменялись измеренными значениями, а в остальные дни – скорректированными после этого оценками.

Для каждой из построенных моделей рассчитали диагностические выходные данные, которые продемонстрировали, что результаты моделирования заслуживают доверия. В частности, для каждой модели рассчитали статистику смещения величин потоков изучаемого вещества B, которая в соответствии с [42] – ключевая характеристика качества модели и вычисляется по формуле (2):

$B=\left(P-O\right)/P,$ (2)

где P, O – суммы соответственно наблюдаемых и расчетных среднесуточных потоков изучаемых веществ в дни с измерениями.

Значения B, рассчитанные для DOC и Chl-a, составляют –0.001 и –0.09 соответственно. Это означает, что для концентрации DOC смещение составляет ±0.1%, а для концентрации Chl-a – ±9%, что демонстрирует приемлемый уровень потенциальной систематической ошибки в расчетных значениях потоков.

Таким образом, полученные результаты статистического моделирования позволили заполнить пробелы в значениях концентраций рассматриваемых веществ в дни без измерений и получить непрерывный ряд данных для последующей количественной оценки стока растворенных и взвешенных веществ с р. Дон в Азовское море.

Величины стока DOC (в 2007–2020 гг.), Chl-a (в 2008–2019 гг.) и TSS (в 2007–2020 гг.) для каждого месяца получены умножением ежедневных расходов воды на концентрации веществ с последующим суммированием, что дало в итоге годовые объемы стока веществ (табл. 1). Табл. 1 дополнена значениями стока ТОМ по данным ежегодников Росгидромета “Качество поверхностных вод Российской Федерации” (https://gidrohim.com/node/44). Необходимо отметить, что сток TOM в этих серийных изданиях определен косвенным методом по значениям бихроматной окисляемости (ХПК) с использованием коэффициента ОВ/ХПК = 0.75 [36]. При этом не учитываются значения легкоокисляемого органического вещества по биохимическому потреблению кислорода (БПК).

Таблица 1. Сток DOM, POM, TOM, TSS, Chl-a и легкоокисляемого взвешенного органического вещества (LPOM) с водами р. Дон (прочерк – отсутствие данных)

*Рассчитано по данным серии ежегодников “Качество поверхностных вод Российской Федерации” 2009–2015гг. и 2020 г.

**Рассчитано с использованием оценок среднего содержания POC в TSS вод нижнего Дона [38].

***По данным работы [26].

Характеристика современного водного стока

Сток химических веществ определяется, главным образом, водным стоком, динамика которого на протяжении последнего маловодного периода представлена на рис. 2.

Рис. 2. Водный сток р. Дон (ст. Раздорская) в период 2007–2020 гг. в сравнении со средним годовым стоком в условно-естественный период 1881–1951 гг. 1 – половодье (значения в процентах показывают долю стока в апреле–мае от общего стока за год), 2 – летняя межень, 3 – зимняя межень.

В 2020 г. величина водного стока Дона приблизилась к историческому минимуму – 10.3 км³ (рис. 2). Исключением из ряда маловодных лет стал 2018 г., когда объем годового стока составил 23.5 км³ при максимальных расходах ~1900 м³/с. Это стало ярким примером природно-техногенной аномалии на фоне многолетнего маловодья на Дону, когда избыток воды от весеннего паводка привел к аварийным попускам воды из Цимлянского водохранилища [28].

В годовом цикле для водосбора нижнего Дона характерны три гидрологических сезона: половодье, которое приходится на апрель–май, длительный период летней межени (июнь–октябрь) и зимняя межень, которая наступает в ноябре и длится до начала половодья. Границы гидрологических сезонов определены на основе многолетних гидрографов и данных о среднемноголетних датах начала и окончания половодья [14, 33].

Ранее за небольшой отрезок половодья проходило от 35 до 100% годового стока [20], и традиционно на это время приходился максимальный химический сток реки. В современный маловодный период на долю половодья в среднем приходится 20%, в то время как на летнюю и зимнюю межень – по 40% годового водного стока (рис. 2). В 2018 г. на апрель–май пришлась треть (33%) годового стока, а в самый маловодный 2020 г. – всего 15%. Такие колебания водности в сочетании с изменениями концентраций растворенных и взвешенных веществ в воде требуют корректных оценок химического стока.

Оценка стока растворенных и взвешенных веществ с р. Дон в период 2007–2020 гг.

В период 2007–2014 гг. концентрация POC в водах Нижнего Дона составила в среднем 0.7 мгС/л (0.5–0.9 мгС/л), по данным [40], или 1.4 мг/л (1–1.8 мг/л) взвешенного органического вещества (POM), если исходить из общепринятого мнения, что в природных водах на углерод приходится 50% веса органического вещества [36]. С учетом средней концентрации DOM (22.2 мг/л) (табл. 1) в рассматриваемый маловодный период получаем среднюю концентрацию TOM – 23.6 мг/л, которая сопоставима с оценкой 23.5 мг/л, полученной на основе данных ежегодников “Качество поверхностных вод Российской Федерации” (https://gidrohim.com/node/44).

Вынос DOM в период низкого стока (2007–2020 гг.) составил в среднем 337 тыс. т/год (табл. 1), что попадает в интервал значений 320–340 тыс. т/год, полученный в работе [38] для периода 2011–2015 гг. Исходя из оценок [38], среднее содержание POC в общей взвеси вод нижнего Дона составляет 5.5%, POM – 11%. С учетом данных по твердому и водному стоку рассчитали средние значения и ежегодного поступления POM (табл. 1). Оценить сток POM в рассматриваемый период можно, также умножив среднегодовую величину водного стока (15.3 км³) на среднюю концентрацию POM (1.4 мг/л), при этом получим значение 21.4 тыс. т/год.

Таким образом, суммарный сток DOM и POM составил порядка 357 тыс. т/год. Для сравнения отметим, что в работе [38] сток органического вещества в растворенной и твердой формах оценен в ~ 360 тыс. т/год, а по данным ежегодников Росгидромета – 380 тыс. т/год.

Сток TSS и Chl-a по годам распределен неравномерно, причем четкой зависимости от водности не прослеживается. За весь маловодный период сток TSS в среднем составил 0.19±0.15 млн т/год. Поступление твердого стока сократилось более чем в 20 раз по сравнению с условно-естественным периодом (1940–1952 гг.) [38]. Диапазон среднегодовых концентраций TSS менялся от 2.5 до 31 мг/л при среднем значении 12.8, что более чем в 2 раза превышает среднее значение для рек мира – 5.75 мг/л [35]. Сток Chl-a за весь период составил 173 тыс. т/год, среднегодовая концентрация – 10.8 мкг/л при небольшой вариабельности (табл. 1).

Внутригодовая динамика стока веществ. Связь с расходами воды

Во многих работах отмечена прямая зависимость концентраций и стока органических и взвешенных веществ от объемов водного стока. Однако в бассейне нижнего Дона эта закономерность нарушается в силу разных причин, а механизмы изменений еще мало изучены. В современный маловодный период половодье в низовьях Дона практически не выражено, а сток формируется за счет разных источников (попусков из Цимлянского водохранилища, талых, дождевых, подземных вод), доли которых меняются год от года, антропогенный фактор (забор и сброс воды) также вносит свой вклад.

Растворенное органическое вещество

На рис. 3 представлена динамика среднемесячного расхода воды и концентрации DOC в р. Дон в маловодный период 2007–2020 гг., за исключением 2018 г. (рис. 3а), и в 2018 г. с ярко выраженным половодьем (рис. 3б). Так, поступление талых вод весной 2018 г., обедненных DOM, привело к уменьшению в апреле концентраций DOC в водах нижнего Дона более чем в 2 раза. Концентрации DOC отрицательно коррелировали с расходом воды (R² = 0.72) (рис. 3б). Причина этого явления – обильное выпадение атмосферных осадков (снега) в переходной период 2017–2018 г. на водосборе р. Дон. После снеготаяния проявился весьма высокий уровень вод Дона и произошло заполнение Цимлянского водохранилища водами с пониженной минерализацией и обедненным органическим веществом (Дон по типизации рек относят к рекам со снеговым питанием). Опорные данные свидетельствуют о том, что в растопленном снеге исследуемого района содержание DOC находится на низком уровне.

Рис. 3. Средние месячные величины расхода воды (столбцы) и средняя концентрация DOC (линия с маркерами) в р. Дон в маловодный период 2007–2020 гг., за исключением 2018 г. (а), и в 2018 г. с выраженным половодьем (б). Горизонтальная пунктирная линия – среднемноголетняя концентрация DOC. Графики справа отображают зависимость концентрации DOC от расхода воды.

В остальные годы маловодного периода вариации концентраций DOC были значительно меньше, несколько повышены в весенний период (рис. 3а). Прямая зависимость средних концентраций DOC от расходов воды в целом выражена слабо. Если рассматривать все годы последнего маловодного периода, то можно проследить обратно пропорциональную связь между средними концентрациями DOC и величинами расхода воды в период половодья и летней межени (рис. 4а).

Рис. 4. Зависимость концентраций DOC в период 2007–2020 гг. (а), Chl-a в период 2008–2019 гг. (б) и TSS в период 2009–2020 гг. (в) от расхода воды в основные гидрологические сезоны: 1 – половодье (апрель–май), 2 – летняя межень (июнь–октябрь), 3 – зимняя межень (ноябрь–март), 4–6 – средние значения по каждому сезону в 2018 г. Полуоси эллипса соответствуют одному среднеквадратическому отклонению, центр эллипса (закрашенная точка) – среднему значению выборки, маркеры – средние значения по каждому сезону за весь исследуемый период.

Среднегодовое значение DOC (без учета 2018 г.) составило 11.2 мгС/л, в 2018 г. – 10.1 мгС/л. Схожие оценки среднего содержания DOC в современный период характерны для равнинных рек восточной Европы (например, в водах Днестра содержится DOC 8.6–12.6 мгС/л) [41].

Хлорофилл-а

Для внутригодовой динамики концентраций Chl-a характерны максимум в летние месяцы и минимум в холодный период года (рис. 5а). За исследуемый период зависимости Chl-a от расхода воды не выявлено (рис. 4б). В 2018 г. с ярко выраженным половодьем пик цветения фитопланктона сместился ближе к календарной осени (рис. 5б).

Рис. 5. Средние месячные величины расхода воды (столбцы) и средняя концентрация Chl-a (линия с маркерами) в р. Дон в маловодный период 2008–2019 гг., за исключением 2018 г. (а), и в 2018 г. с выраженным половодьем (б); средние месячные концентрации TSS (линия с маркерами) в р. Дон в маловодный период 2009–2020 гг., за исключением 2018 г. (в), и в 2018 г. с выраженным половодьем (г). Горизонтальной пунктирной линией показаны среднемноголетние концентрации Chl-а и TSS.

Большая часть лабильного органического вещества (LOM) продуцируется хлорофиллсодержащими организмами в самом водоеме в результате фотосинтеза и окисляется в водной толще; таким образом, доля данной фракции во внешнем балансе минимальна. Однако количественные данные Chl-a могут дать представление о содержании лабильного взвешенного органического вещества (LPOM), которое может оказывать значительное влияние на процессы седиментации в зоне смешения речных и морских вод [8]. Содержание Chl-a в биомассе фитопланктона (органическом веществе) для устья р. Дон составляет 2.5%, по данным [50]. Оценку концентрации LPOM для каждого года получили путем деления среднегодовой величины Chl-a на коэффициент 0.025 (табл. 1). Таким образом, по приблизительным подсчетам среднегодовая концентрация LPOM составила 0.4 мг/л. Доля LPOM в составе POM в среднем – 30%, но может варьировать в широком диапазоне – от 10 до 100%.

Общее взвешенное вещество

Несмотря на высокую изменчивость среднемесячных концентраций TSS маловодного периода (за исключением 2018 г.), пик (20 мг/л) приходился на июнь, а минимальные значения (9.3–11.3 мг/л) отмечались с декабря по апрель (рис. 5в). В 2018 г. максимум TSS зафиксирован в апреле (34.2 мг/л), а во время больших величин расхода воды (май, июнь) концентрация взвеси в речной воде была минимальна и находилась на уровне 5.5–8.9 мг/л (рис. 5г). По всей видимости, высокое содержание TSS в реке в первый месяц половодья (апрель) обусловлено поступлением взвесей в результате процессов плоскостного смыва талыми водами на местном водосборе. В последующие месяцы (май, июль) 2018 г. концентрация TSS в реке зависела в основном от объема попусков из Цимлянского водохранилища, где содержание взвесей меньше.

Концентрации TSS подвержены влиянию различных факторов и варьируют в широких пределах – от 2 до 50 мг/л – при одинаковых расходах воды (рис. 4в). Анализ данных демонстрирует существенную перестройку сезонного хода, обусловленную усилением регулирующего влияния Цимлянского водохранилища на сток р. Дон. Максимумы во внутригодовом распределении твердого стока в современный период приходятся на летнюю и зимнюю межень – 45 и 40% соответственно. На период половодья (апрель–май) приходится всего 15% годового стока наносов [21].

В работе [26] показано, что в отдельные маловодные годы объем взвешенного материала, приносимого со стороны моря, который потенциально мог оседать в дельте Дона, превышал годовой твердый сток.

Сопоставление полученных оценок с историческими данными

Первые работы, в которых сделаны количественные оценки содержания органического вещества в водах Дона, относятся к середине ХХ в. Нужно отметить, что за весь период инструментальных наблюдений выполнено сравнительно мало прямых определений органического вещества.

При сравнении полученных разными авторами величин DOM и DOC следует принимать во внимание использование разных методов лабораторных определений. При этом главной операцией по определению растворенного вещества в речной воде всегда была его минерализация различными способами. Больше всего данных получено с использованием методов перманганатной и бихроматной окисляемости, причем последний обеспечивает более полное окисление органического вещества, так как в этом случае окисляется еще и органическое вещество взвеси.

Б.А. Скопинцевым было эмпирически показано, что для речных вод значения перманганатной окисляемости (мгО/л) численно равно содержанию углерода (мг/л) [36]. Однако позже эти оценки были уточнены, и для р. Дон среднегодовое значение О_перм/О_орг было принято равным 0.88 [27].

Б.А. Скопинцев и Л.П. Крылова [37], используя данные по перманганатной окисляемости, вычислили величину выноса органических веществ р. Дон в период 1935–1936 гг. – 290 тыс. т/год.

По результатам шести определений за период 1949–1950 гг. [11], концентрации DOC менялись в интервале 5.7–15.6 мгС/л при среднем значении 10.9 мгС/л (применялся метод сожжения в плаве селитры), содержание углерода во взвеси менялось от 0.64 до 3.14 мгС/л (среднее – 1.77 мгС/л). Сток органических веществ Дона в этот период авторы оценили в 300–709 тыс. т/год. В весенних пробах паводковых вод из р. Дон (1952 г.) концентрация POC составила в среднем 4 мгС/л, процентное содержание POC в TSS – 2.6% [24].

В 1956–1957 гг. В.Г. Дацко и М.М. Гусейнов [13] систематически исследовали содержание органических веществ в водах Дона у ст. Аксайской (ныне г. Аксай) в течение года. Максимальные значения DOC фиксировали в пробах паводковых вод весной (14–48 мгС/л), в остальную часть года значения DOC менялись в интервале 5–9.9 мгС/л (среднее значение по результатам 16 определений, за исключением весенних проб, составило 7±1.5 мгС/л). Сравнивая данные по перманганатной окисляемости и содержанию углерода в речных водах, полученные до зарегулирования стока Дона (1940–1941 гг.), с результатами определений (1950–1954 и 1956–1957 гг.), авторы пришли к выводу, что существенных изменений величин не произошло. Повышение окисляемости в период паводка авторы объясняли выносом талыми водами в реку органических веществ.

В 1958 г. В.Г. Дацко и В.Л. Васильева [12] показали, что концентрация DOC (полученная методом сожжения органического вещества в плаве селитры) менялась в пределах 5.2–19.1 мгС/л (среднее – 7.9 мгС/л), перманганатная окисляемость изменялась в пределах 3.3–24.8 мгС/л. Максимальное содержание углерода в речной воде (14.3–19.1 мгС/л) приходится на пик раннего паводка (февраль–март) и в 2–2.8 раза превышает концентрацию DOC в остальную часть года (среднегодовая концентрация углерода без учета паводка по результатам 16 определений – 6.8±1.3 мгС/л).

В.Г. Дацко определил, что в 1956 г. с водами р. Дон в Азовское море поступило ~450 тыс. т органического вещества, а в 1958 г. – 370 тыс. т [12].

В работе [27] представлены наиболее полные многолетние данные по перманганатной окисляемости за длительный период (1936–1975 гг.), согласно которым сток органического вещества с р. Дон для периода 1936–1965 гг. составил 405.8 тыс. т/год, а для периода 1967–1975 гг. – 317.7 тыс. т/год при средних значениях DOC 9 и 9.3 мгС/л соответственно.

В работе [3] содержание DOC в устье Дона в 1980 г. оценено в среднем в 5.7 мгС/л при вариации от 4.7 до 6.5 мгС/л (применялся метод серно-хромового окисления с последующим кулонометрическим определением образовавшегося диоксида углерода), средняя концентрация POC оценивалась в 1.7 мгС/л, а доля POC от TSS – 5.6%. По данным [35], содержание POC в составе TSS в воде Дона – 2.3%. В.Е. Артемьев [3] и В.С. Савенко [35] обращали внимание на неоднородность и большую изменчивость концентраций POC на одном и том же участке русла р. Дон на протяжении всего нескольких километров.

По данным [30], в 1981–2000 гг. в Азовское море Доном транспортировалось 362–581 тыс. т органического вещества (рис. 6).

Рис. 6. Многолетний среднегодовой сток воды и растворенного органического вещества р. Дон (в нижнем течении) в период 1981–2020 гг. 1 – водный сток (км³/год), 2 – DOM (тыс. т), 3 – средняя концентрация DOM (мг/л) за период. а – по данным [30], б – по данным [18] для створа в районе г. Ростов-на-Дону, в – данные настоящего исследования.

Современные оценки содержания органического углерода в р. Дон получены более совершенным методом высокотемпературного каталитического сожжения.

В работе [1] приведены средние концентрации DOC в устье Дона в июле и сентябре 2006 г.: 8.2 и 9.4 мгС/л соответственно при изменениях в пределах 8.1–9.7 мгС/л. POC составлял в среднем 0.6 и 1.2 мгС/л, а доля POC в составе TSS менялась в диапазоне 7–11%. Максимальный сток ОВ с водами р. Дон приходится на период 2001–2006 гг. (по данным для гидропоста в районе г. Ростов-на-Дону) и составляет 697 тыс. т/год (рис. 6) при среднем значении DOC 13.5 мгС/л [18].

В маловодный период 2007–2020 гг. сток РОВ составил 337 тыс. т/год (рис. 6). Для сравнения, в предыдущий период маловодья (1972–1974 гг.) сток DOM был несколько больше – 416 тыс. т/год [17] и почти треть годового выноса органических веществ приходилась на период весенне-летнего половодья (например, в половодье в 1972 г. [17], годовой сток которого был рекордно низким (9.3 км³). В современный маловодный период значительных внутригодовых вариаций стока DOМ не наблюдается.

По оценкам [38], концентрация POC (2011–2015 гг.) менялась в диапазоне 0.05–3.72 мгС/л, а медиана всех измеренных значений составила 0.53 мгС/л. Среднее содержание POC в общей взвеси составляло 4–5%. В данной работе удалось уточнить эту оценку для периода 2007–2020 гг., среднее содержание POC находилось на уровне 0.7±0.6 мгС/л.

ВЫВОДЫ

На основе данных экспедиционных исследований ЮНЦ РАН, выполненных в 2007–2020 гг. на нижнем Дону, с использованием современных методов статистического моделирования, позволивших заполнить пропуски в рядах наблюдаемых величин, получены новые количественные оценки стока растворенного органического углерода, хлорофилла-a, общего взвешенного вещества, взвешенного органического углерода с водами р. Дон в Азовское море.

В современный маловодный период (2007–2020 гг.) сток органических веществ нижнего Дона составил 357 (±56) тыс. т/год, при этом в стоке доминирует растворенная форма (⁓95%). Сравнение полученной оценки с данными прошлых лет показало, что среднегодовые величины стока органического вещества мало менялись на протяжении всего периода инструментальных наблюдений. Повышенные его величины в 1980–2000-х гг. связаны с высокой антропогенной составляющей органического стока.

Сток POM находится в прямой зависимости от твердого стока, который радикально сократился во второй половине ХХ – начале XXI вв. (на 91% от величины в условно-естественный период), в его составе увеличилась доля мелкодисперсных фракций взвеси. В последнее время можно наблюдать увеличение доли органики в составе TSS, что требует дополнительных исследований. Это обстоятельство приводит к тому, что абсолютная величина стока POМ на протяжении XX в. и в современный период существенно не изменилась. Кроме того, при определении и расчете стока РОМ необходимо учитывать сезонность, так как органическое вещество во взвеси тесно коррелирует с жизненными циклами фитопланктона.

Отмечены изменения во внутригодовом распределении концентраций и стока органических веществ. Если в предыдущий маловодный период (1972–1975 гг.) до трети годового стока органического углерода происходило во время весеннего половодья, то в современный период внутригодовое распределение стока DOC относительно равномерно, при этом во время “высокой воды”, напротив, зафиксированы низкие концентрации DOC (половодье 2018 г.).

Значимых статистических зависимостей концентрации Chl-a от водности реки не обнаружено. Сделана оценка доли лабильного ОВ – при среднегодовом значении POM 1.4±1.2 мг/л доля LPOM может варьировать от 10 до 100% (среднее – 30%).

Авторы статьи выражают глубокую благодарность коллегам Кулыгину В.В., Клещенкову А.В. и Шевердяеву И.В. (ЮНЦ РАН) за ценные советы и помощь в оформлении графических изображений статьи, а также искреннюю признательность рецензенту и редколлегии за полезные замечания.

作者简介

V. Gerasyuk

编辑信件的主要联系方式.
Email: gerasyuk.v@mail.ru
俄罗斯联邦, Rostov-on-Don, 344006

N. Likhtanskaya

Email: gerasyuk.v@mail.ru
俄罗斯联邦, Rostov-on-Don, 344006

V. Sorokina

Email: gerasyuk.v@mail.ru
俄罗斯联邦, Rostov-on-Don, 344006

S. Berdnikov

Email: gerasyuk.v@mail.ru
俄罗斯联邦, Rostov-on-Don, 344006

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Map of the study area.

下载 (149KB)

索引源数据

3. Fig. 2. Water flow of the Don River (Razdorskaya station) in the period 2007–2020 in comparison with the average annual flow in the conditionally natural period 1881–1951. 1 – flood (values ​​in percentages show the share of flow in April–May from the total flow for the year), 2 – summer low water, 3 – winter low water.

下载 (134KB)

索引源数据

4. Fig. 3. Average monthly water discharge values ​​(columns) and average DOC concentration (line with markers) in the Don River during the low-water period of 2007–2020, excluding 2018 (a), and in 2018 with pronounced flooding (b). The horizontal dotted line is the average long-term DOC concentration. The graphs on the right show the dependence of DOC concentration on water discharge.

下载 (136KB)

索引源数据

5. Fig. 4. Dependence of DOC concentrations in the period 2007–2020 (a), Chl-a in the period 2008–2019 (b), and TSS in the period 2009–2020. (c) on water discharge in the main hydrological seasons: 1 - flood (April-May), 2 - summer low water (June-October), 3 - winter low water (November-March), 4-6 - average values ​​for each season in 2018. The semi-axes of the ellipse correspond to one standard deviation, the center of the ellipse (filled dot) - the average value of the sample, markers - average values ​​for each season for the entire study period.

下载 (160KB)

索引源数据

6. Fig. 5. Average monthly water discharge values ​​(columns) and average Chl-a concentration (line with markers) in the Don River during the low-water period of 2008-2019, with the exception of 2018 (a), and in 2018 with pronounced flood (b); average monthly TSS concentrations (line with markers) in the Don River. The Don River during the low-water period of 2009–2020, with the exception of 2018 (c), and in 2018 with pronounced flooding (d). The horizontal dotted line shows the average long-term concentrations of Chl-a and TSS.

下载 (138KB)

索引源数据

7. Fig. 6. Long-term average annual runoff of water and dissolved organic matter in the Don River (in the lower reaches) in the period 1981–2020. 1 – water runoff (km3/year), 2 – DOM (thousand tons), 3 – average DOM concentration (mg/l) over the period. a – according to data from [30], b – according to data from [18] for a cross section near Rostov-on-Don, c – data from the present study.

下载 (129KB)

索引源数据