книги / Метан в водных экосистемах
..pdfвдонных отложениях, равное 0,1 мкг/г сырого ила, следует принять за фоновую величину.
Зона повышенного содержания метана в донных отложениях вытянута в восточном направлении от места выпуска сточных вод в виде разделяющегося на два рукава шлейфа (см. рис.37б). Локаль ные очаги генерации метана обнаруживаются как восточнее р. ХараМурин (точки 16-2, 17-1), так и западнее р. Б.Осиновка (точки 65 и 67, 103 и 109). Направление и положение зоны повышенных концен траций метана в донных отложениях хорошо увязывается и с ре зультатами исследования распределения антропогенных сульфатов
вводе озера и изотопного состава углерода органического вещест ва донных отложений [254,266].
Выполненные исследования показали, что, несмотря на далеко не благоприятные для генерации метана условия (относительно низкие температуры, высокое содержание кислорода и хорошую вентилируемость озера), этот процесс, тем не менее, протекает. Распределение содержания газа в донных отложениях по площади и глубине озера свидетельствует о том, что метан имеет современ ное бактериальное происхождение. Причем отчетливо проявляется приуроченность очагов генерации метана к районам постоянного антропогенного давления, каковыми являются зона влияния БЦБК и зоны смешения вод некоторых рек и озера. В таких районах проис ходит накопление органического вещества, представленного пре имущественно древесными остатками и целлюлозой, и сульфатов, которое благоприятствует развитию сульфатредуцирующих и метанобразующих бактерий [71,123].
Это подтверждается также данными по изотопному составу уг лерода органического вещества, диоксида углерода и метана: в со ответствии с моделью, предложенной [79] и описывающей образо вание изотопного состава разновидностей природных газов Земного шара (СО2-СН4), установлено, что метан исследованных донных от ложений оз. Байкал имеет современное биогенное происхождение [251].
Озеро Тамбукан
Озеро Тамбукан (Большое Тамбуканское) расположено в 12 км к юго-востоку от г. Пятигорска. В административном отношении тер ритория озера находится в пределах Предгорного района Ставро польского края, и лишь южная её часть относится к Зольскому рай ону Кабардино-Балкарии.
Тамбуканское озеро представляет собой мелководный, не имеющий стока бассейн неправильной овальной формы. Дно котло вины оз. Тамбукан плоское, почти горизонтальное, ширина его око
ло 1,0 км, длина - 2,0-2,5 км. Расчленённость территории сравни тельно высокая. Котловина озера приурочена к долине реки Этоки, относящейся к бассейну реки Кумы.
В озере Тамбукан ведётся добыча лечебной грязи. В последние два десятилетия на озере наблюдается беспрецедентное повыше ние уровня воды (более чем в 2 раза), что обусловлено изменением соотношения природно-расходных статей в водном балансе озера. Максимальная глубина в настоящее время составляет около 5,8 м, против 3,1 м в 1965г. Повышение уровня воды, в свою очередь, при вело к критическому уменьшению минерализации рапы в озере (с 60,9-80,9 г/дм3 в 1966-1978гг до 24,0-32,4 г/дм3 в 1986-1997гг) и мо жет сказаться на качестве лечебной грязи.
Исследования озера Тамбукан проводились трижды: в осенний (октябрь 2000 г.), зимний (декабрь 2001 г.) и летний (июнь 2003 г.) периоды [252]. Отбор проб рапы производился по всему периметру озера, донных отложений - в прибрежной зоне и из ковша на участ ке грязедобычи (рис.39). Помимо содержания метана в донных отло-
Рис. 39. Станции отбора проб на озере Большой Тамбукан.
жениях определялась концентрация сульфидов, численность метанобразующих и сульфатредуцирующих бактерий.
Содержание метана в осенний период в рапе варьировало в пределах 4,1-9,5 мкл/л (в среднем 6,1 мкл/л). В илах его концентра ция у берега составляла 0,24 мкг/г в.в., на участке грязедобычи в лечебной грязи (центр озера) - 0,42 мкг/г в.в. В данный период, как в воде, так и в отложениях отмечена слабая тенденция к возрастанию
концентрации метана в направлении от берега к центральной части озера.
Более масштабные исследования были проведены в декабре 2001 г. Концентрация метана в рапе озера изменялась от 1,0 до 9,1 мкл/л (в среднем 6,4 мкл/л), что близко к ранее полученным данным. Привлекает внимание, повышенное содержание метана в воде ру чья (ст. 4 - 27,8 мкл/л), протекающего возле ресторана "Нартсана" Это может быть связано с тепловым и органическим загрязнением воды ручья. Метан в поверхностном слое донных отложений озера в данный период содержался в количестве 0,03-0,59 мкг/г в.в. За ис ключением станции 2, расположенной на западном побережье воз ле автотрассы Ростов-Баку, концентрация метана в верхнем слое осадков прибрежных станций озера ниже, чем в пробе лечебной грязи, отобранной на участке грязедобычи.
Содержания метана в поверхностной рапе озера в летний пери од 2003 г. (июнь 2003 г.) была несколько выше, варьируя в пределах от 10,0 до 23,4 мкл/л. На линии расположения станций отбора проб - станции 8, 101, 102, 103, 104 и несколько отстоящей в стороне ст. 9 - содержание метана изменялось в узких пределах - от 10,0 до 11,3 мкл/л. На юго-западе водоёма (ст. 5 и 6) концентрация метана составляла 10,0-10,1 мкл/л. Как и в зимний период наиболее высо кими содержаниями характеризовались пробы рапы на западной оконечности озера (станции 1 и 2) - 20,9 и 23,4 мкл/л. Если отбро сить последние (крайние) значения, то содержания метана в верх нем слое рапы водоёма в среднем в летний период составляло 10,7 мкл/л.
Концентрация метана в поверхностном слое лечебной сульфат ной грязи в июне 2003г на станциях 8, 8', 104 изменялась от 0,30 до 0,47 мкг/г в.в. (в среднем 0,39 мкг/г в.в.). В прибрежной зоне наибо лее высокими содержаниями газа характеризовались пробы, ото бранные на станции 1 и 2, что было характерно и для исследований, проводившихся в предыдущие периоды. Однако летом 2003г кон центрация метана здесь была существенно выше (1,47-8,17 мкг/г в.в.), чем во время осенне-зимних экспедиций 2000 и 2001 гг. Несо мненно, что наблюдаемое увеличение концентрации метана связа но с увеличившейся температурой воды озера и, как следствие, возрастанием скорости его образования в донных осадках. Мини мальными величинами содержания метана, как и в предыдущие пе риоды, характеризовались донные отложения, отобранные на станциях 5 и 6 (от 0,11 до 0,20 мкг/г в.в.). Это может быть свиде тельством влияния поступления суглинисто-глинистого материала, образующегося в результате абразии юго-западного берега.
Следует отметить, что во все периоды, как правило, концентра ция метана возрастала от поверхностных горизонтов осадков к ниж ним, максимальной величины достигая в одних случаях в 5-10 см слое отложений, в других - в 10-15 см слое. Такое распределение метана соответствовало распределению клеток метанобразующих бактерий по глубине осадков. Их численность варьировала в преде лах 2580-7000 кл/г вл. ила - в прибрежной полосе озера, и от 6550 до 7430 кл/г вл. ила - в лечебной грязи, отобранной в центре озера на участке грязедобычи. В летнее время отмечалось некоторое уве личение численности бактерий-метаногенов по сравнению с осеннезимним периодом. В целом же во все сезоны по акватории озера между распределением метана и численностью бактерий метаногенов в отложениях наблюдается достаточно тесная корреляционная связь (г = 0,76).
Количество сульфатредуцирующих бактерий изменялось в пре делах от 350 до 6450 кл/г вл. ила. Для летнего времени характерны более высокие значения, чем для других периодов. Наблюдается чёткое снижение численности сульфатредукторов от поверхностно го горизонта к нижнему, что наряду с уменьшением сульфидов, сви детельствует в пользу постепенного затухания процесса редукции сульфатов в том же направлении. В лечебной грязи количество сульфатредуцирующих бактерий в целом было выше, чем в отло жениях прибрежной зоны.
Следует отметить, что концентрация метана в воде и верхних изученных горизонтах донных осадках озера Тамбукан в целом не выходит за пределы изменения содержания метана в других озёрах, в том числе и пресных (см. табл.24). Повышенная минерализация воды этого озера, большое содержание сульфидных ионов и актив ные процессы редукции сульфатов, по-видимому, не препятствуют метанообразованию, о чём свидетельствует достаточно высокая численность в верхних слоях осадков клеток метанобразующих бак терий и концентрация в отложениях метана.
6.2. Водохранилища
Водохранилищами принято считать искусственно созданные котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным во дообменом, полным объемом более 1 млн. м3, уровенный режим ко торых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных по требностей [2].
Водохранилища - антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают также и сильнейшее воздействие при родных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают про межуточное положение между “чисто природными" и “чисто техни ческими” образованиями. У водохранилищ нет природных аналогов (лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озера), поскольку процессы трансформации вещества и энергии в них име ют иные, чем в озерах и реках масштабы, направленность, интен сивность и длительность, что выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных экосистем. В целом во дохранилища можно, рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера. Рекам же, в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойственен поточный ме ханизм преобразования вещества и энергии [2].
В табл.34 приведены содержания метана в различных водохра нилищах бывшего СССР. По имеющимся данным (табл. 34) концен трация метана в воде и донных осадках соответственно изменяется в пределах от л-10‘1до л-102 мкл/л и от п-10'3 до л-10 мкг/г.
|
|
|
|
Таблица 34 |
Содержание метана в воде и донных осадках исследованных |
||||
__________ ________ |
водохранилищ__________ |
Литературный |
||
Водохранилища |
Реки |
Содержание метана |
||
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г в.в. |
источник |
Иваньковское |
Волга |
0,5-110,5 (25,9) 0,04-25,7 (4.7)” |
данные авторов |
|
Рыбинское |
Волга |
2,7-46,2 (16,5) |
0,03-8,9 (2.1) |
тоже |
Саратовское |
Волга |
2,4-25,1 (7,8) |
|
тоже |
Волгоградское |
Волга |
1,0-96,0(11,0) |
|
тоже |
Иваньковское |
Волга |
5,8-29,2 |
|
(83) |
Угличское |
Волга |
4,2-14,6 |
|
тоже |
Рыбинское |
Волга |
3,7-45,6 |
|
тоже |
Горьковское |
Волга |
2,1-41,1 |
|
тоже |
Шекснинское |
Шексна |
2,4-17,8 |
|
тоже |
Водохранилища |
|
|
0,07-17,2 |
[85] |
Волги и Камы |
|
3,5-52,0(10,1) |
|
данные авторов |
Цимлянское |
Дон |
|
||
Кубанское |
Кубань |
0,6-57,5 (18,0) |
0,11-2,4 (1,6) |
тоже |
(Карачаево-Черк.) |
Чусовая |
5,0-54,0 (26,1) |
|
то же |
Волчихинское |
|
|||
(Свердл. обл.) |
Чирчик |
4,5-60,0 |
|
то же |
Чарвакское |
|
|||
(Узбекистан) |
|
14,0 |
|
то же |
Усть-Каменогорское |
Иртыш |
|
(Казахстан)
* в скобках - среднее значение
Ниже рассмотрены особенности распределения и образования метана в некоторых из этих водохранилищ.
Водохранилища Волжского каскада
Волга (древнее - Ра, в средние века - Итиль) - река в Европей ской части России, крупнейшая река в Европе, располагается между 45°35/ в.д. и 61°51/ с.ш. Волга берет начало на Валдайской возвы шенности, и впадает в Каспийское море. Её длина составляет 3530 м, площадь бассейна 1360 тыс. км2 Она принимает около 200 при токов, при этом левые притоки многочисленнее и многоводнее пра вых. В целом же речная система бассейна Волги включает 151 тыс. водотоков (реки, ручьи и временные водотоки). Наиболее крупными притоками являются Кама и Ока. На протяжении сотен километров Волга пересекает ряд климатических областей и ландшафтно географических зон: лесную, лесостепную, степную, зону полупус тынь и пустынь. Основная питающая часть водосборной площади Волги, от истоков до Нижнего Новгорода и Казани, расположена в лесной зоне, средняя часть бассейна до Самары и Саратова - в ле состепной зоне, нижняя часть - в степной зоне до Волгограда, а южнее - в полупустынной зоне.
В настоящее время Волга полностью зарегулирована и превра щена в каскад водохранилищ (рис.40), лишь небольшой участок от Волгоградской ГЭС до Каспийского моря не имеет плотин. В каскаде волжских водохранилищ имеются относительно небольшие водо емы, такие как Иваньковское (329 км2), и водохранилища-гиганты, такие как Куйбышевское и Рыбинское (6450 и 4550 км2).
Волгу принято делить на три части: Верхняя Волга - от истока до устья Оки, Средняя Волга - от впадения Оки до устья Камы (ино гда до плотины Волжской ГЭС) и Нижняя Волга - от впадения Камы до устья.
Исследования по определению содержания метана в воде во дохранилищ волжского каскада начаты в конце 50-х гг. XX в. (Соро кин, 1960), когда методы его определения были ещё далеки от со вершенства и не позволяли получать адекватные результаты. Со гласно отрывочным данным хроматографических измерений, вы полненных в конце зимы в Рыбинском водохранилище, при кратко временном локальном исчезновении кислорода в узком придонном слое воды концентрация метана достигала 1120,0 мкл/л [217]. По мере совершенствования методических приемов и существенного повышения чувствительности методов анализа стало возможно проведение более масштабных работ по изучению особенностей распределения и образования метана в воде и донных осадках Bo
ise
Рис. 40. Карта-схема водохранилищ Волги и Дона. Водохранилища: 1- Иваньковское; 2- Угличское; 3- Рыбинское; 4- Горьковское;
5- Чебоксарское; 6- Куйбышевское; 7- Саратовское; 8- Волгоградское; 9- Цимлянское.
дохранилищ Волги. Такие детальные исследования были проведе ны авторами в 1987-1988 гг. и позднее.
Верхняя Волга. Авторами наиболее подробно на Верхней Волге особенности распределения и образования метана были изучены в Рыбинском водохранилище.
Рыбинское водохранилище - один из обширнейших искусствен ных водоёмов. Среди водохранилищ, созданных путём затопления речных долин (не считая зарегулированных озер), оно входит в пер вую десятку в мире по площади водного зеркала. По наибольшей глубине в период заполнения (30 м) его можно отнести к водохрани лищам, занимающим промежуточное положение между глубокими и
неглубокими, т.е. классифицировать как водохранилище средней глубины.
По распределению глубин и морфологическим особенностям ложа в водохранилище выделяются (по [215]) четыре основных района (плеса): Волжский, Моложский, Шекснинский и Главный или Центральный (рис. 41 ).
Рис. 41. Схема расположения станций отбора проб на метан в Рыбинском водохранилище (май 1987 г.)
I- Волжский район; IIМоложский район; IIIШекснинский район; IVГлавный плёс: IV-1- западная часть плёса, IV-2- центральная часть, IV-3- северная часть, IV-4- приплотинный участок Главного плёса
Пробы воды (поверхностный и придонный горизонт) и донных отложений (верхний слой - 0-5 см) для определения метана в Ры бинском водохранилище были отобраны в период с 15 по 22 мая 1987 г. в районе 3-х плесов: Волжского, Центрального и Шекснинско-
го [264]. Кроме этого, было определено содержание метана в прито ках, впадающих в Шекснинский плес Рыбинского водохранилища. Одновременно с отбором проб на метан определяли значения pH и температуру поверхностного слоя воды (табл.35). Величина pH в период исследований изменялась в небольших пределах (7,4-7,7). Диапазон колебания значений температуры в водохранилище в це лом был значительным и составлял 2,0-16,5°С. Наиболее высокая температура воды отмечается в Шекснинском плесе, где её значе ния варьировали в пределах 9,0-16,5°С, в среднем 13,3°С, при этом максимум выявлен в северной части этого плеса - в районе впаде ния р. Кошта (ст.11). По направлению к Центральному плесу темпе ратура воды существенно снижается, здесь её значения варьируют в пределах от 2,0 до 5,6°С, в среднем 3,5°С. В Волжском плесе тем пература вновь увеличивается и составляет 10,2 - 11,3°С.
Таблица 35 Содержание метана в воде и донных отложениях Рыбинского водохра-
___ _______ нипища и его притоков (15-22 мая 1987 г.) (по [264])___________
№ |
Плес (район) |
Содержание СН4 в воде, мкл/л |
Содержание СН4в |
||
стан |
|
|
поверхность |
дно |
осадках, мкг/г в.в. |
ции |
|
|
2,7-46,2 (14,4)* |
3,2-32,9(18,6) |
0.03-8,90 (2,10) |
|
В о д о х р а н и л и щ е |
в ц е л о м |
|||
! |
В о л ж с к и й п л е с в |
ц е л о м |
8,1-12,9 (10,5) |
9,5-22,9 (16,2) |
0,11-0,21 (0,16) |
1 |
с. Коприно |
|
8,1 |
9.5 |
0,11 |
2 |
пос. Переборы |
|
12,9 |
22.9 |
0,21 |
IV |
Г л а в н ы й п л е с е ц е л о м |
2,7 -9,5 (5,4) |
3,2 -14,9 (7,4) |
0,03 - 0,11 (0,07) |
|
3 |
д. Наволок |
|
2,7 |
3,2 |
0,03 |
4 |
Средний Двор |
|
4,1 |
4,1 |
0,06 |
5 |
Средний Двор |
|
9,5 |
14,9 |
0,11 |
III |
Ш е к с н и н с к и й п л е с в |
8,1-46,2 (19,3) |
9,2-32,9(24,1) |
0,4 -8,9 (3,5) |
|
6 ц е л о м |
|
9,7 |
25,4 |
3.0 |
|
7 |
с. Мякса |
|
|||
8 |
с. Вичелово |
|
8,1 |
9,2 |
1.0 |
9 |
о. Любец |
|
8,4 |
26,2 |
7.1 |
10 |
о. Каргач (с. Рощино) |
14,3 |
18,6 |
0.4 |
|
11 |
с. Торово |
|
20,1 |
27,5 |
0,8 |
12 |
напротив устья р. Кошта |
28,6 |
28,6 |
8.9 |
|
|
о. Лукавец |
|
46,2 |
32,9 |
3,1 |
|
П р и т о к и Ш е к с н и н с к о г о |
6,5-461,7 (80,6) |
6,5- 935,0 (62,2) |
0,7-64,0 (11,2) |
|
13 |
п л е с а в ц е л о м |
|
32,9 |
24,3 |
3,7 |
р. Шексна, устье |
|||||
14 |
-//-, район слияния с |
55,1 |
38,1 |
2,8 |
|
15 |
р. Ягорба |
|
6,5 |
6.5 |
0,7 |
*//-, Ç T . Кабачино, |
|||||
16 |
(выше г. Череповец) |
34,0 |
34,0 |
1.8 |
|
р. Суда, выше г. Суда |
|||||
17 |
р. Кошта, устье |
|
33,7 |
36,2 |
39,9 |
18 |
р. Ягорба, выше |
88,0 |
54,3 |
2,0 |
|
19 |
г. Череповец |
|
240,0 |
186,3 |
16,8 |
порт г. Череповец |
|||||
20 |
р. Серовка |
|
461,7 |
935,0 |
64.0 |
’ • в скобках - среднее значение
Таким образом, для воды Главного плеса водохранилища в пе риод исследований была характерна невысокая температура, по сравнению с температурой воды Шекснинского и Волжского рай онов, что связано с притоком в последние более прогретых речных вод. В то же время более высокая температура воды Шекснинского по сравнению с Волжским обусловлена, в основном, сбросом в реки, впадающие в Шекснинский плес, а именно в рр. Кошта, Серовка и Ягорба; вод тепловой электростанции, а также неохлажденных сточных вод предприятий г. Череповец [264]. Так, в реках Кошта, Ягорба и притоке последней р. Серовка температура воды соответ ственно составляла 17,4; 18,6; и 31,8° В р. Шексна температура во ды до впадения в неё р. Ягорба составляла 10°С, после впадения - 13,6°С. Повышенная температура воды в притоках, впадающих в Шекснинский плес, и непосредственно в самом Шекснинском плёсе создает более благоприятные условия для метаногенеэа (и, в об щем, для трансформации органического вещества), чем в других районах водохранилища.
Содержание метана в воде Рыбинского водохранилища варьи рует в пределах от 2,7 до 46,2 мкл/л, в среднем 16,5 мкл/л (табл.35). Его концентрация в поверхностном горизонте изменяется в диапа зоне 2,7 - 46,2 мкл/л (ср. сод. 14,4 мкл/л), в придонном - колеблется от 3,2 до 32,9 мкл/л (ср. сод. 18,6 мкл/л). В подавляющем большин стве точек отбора проб содержание метана в придонном горизонте выше, чем в поверхностном (в среднем в 1,5 раза). Исключение со ставляет ст.12 (район о. Лукавец), где его количество в придонном слое было ниже, чем в поверхностном (соответственно 32,9 и 46,2 мкл/л). Превышение содержания метана в поверхностном слое во ды над его концентрацией в придонном также отмечается и в неко торых притоках Шекснинского плеса. Причины превышения будут рассмотрены ниже. Необходимо отметить, что в целом между со держаниями метана в поверхностном и придонном горизонтах на
блюдается четкая прямо линейная зависимость. Это характерно как для водохранилища, так и для его притоков (рис.42).
Концентрация метана в воде Волжского плеса в поверхностном горизонте воды составляла 8,1-12,9 мкл/л, в придонном - 9,5- 22,9 мкл/л. В Централь ном плесе по сравнению с