книги / Метан в водных экосистемах

Исследования показывают, что распределение содержания ме­ тана в воде рек крайне неравномерно. Неоднородность распреде­ ления его содержания наиболее сильно выражена по длине и шири­ не реки, в меньшей степени по глубине. Особенно отчетливо она проявляется у крупных рек. Факторы, обусловливающие неоднород­

ность, следующие: скорость течения, тип донных отложений; впаде­ ние притоков, глубина, волновой и ветровой режим, особенно важ­ ным является антропогенное влияние.

Вводу большинства пресноводных объектов метан поступает из донных отложений, с бытовыми и промышленными сточными вода­ ми, при вымывании его из почв ливневыми водами, а также размыве берегов вместе с частицами почвы. Глубина слоя воды и площадь поперечного сечения в реке намного меньше, а поверхность контак­ та воды с сушей больше, чем в озере, что и обусловливает более тесную, чем в большинстве стоячих водоемах, связь реки с окру­ жающей её сушей. Поэтому для рек с большой протяженностью, в большей степени важны географические особенности: изменение геологического строения, рельефа местности и почвенного покрова, изменение климата и растительных зон на территории, по которой она протекает.

Взависимости от гидродинамических и гидрологических факто­ ров соотношение количества метана, поступившего с поверхности водосбора и образовавшегося в донных осадках реки, может суще­ ственно изменяться. На мелководных участках с достаточно быст­ рым течением, происходит вынос как терригенного, так органогенно­ го материала, дно здесь свободно от иловых отложений и нет усло­ вий для образования метана. На таких участках основным источни­

ком поступления метана является поверхность водосбора. На уча­ стках с медленным течением, где отлагаются илы, создаются бла­ гоприятные условия для образования метана в донных осадках, и, как следствие, в водной толще увеличивается количество метана образованного непосредственно в отложениях реки. На таких участ­ ках корреляционная связь между содержанием метана в донных осадках и водной толще очень тесная.

В воде рек содержание метана обычно возрастает по направле­ нию к устью (рис.49). При этом данную тенденцию ослабляет влия­ ние крупных поставщиков органических веществ, каковыми являют­ ся города или (и) загрязнённые притоки, в зоне воздействия которых четко фиксируется резкое повышение содержания метана в воде и донных осадках. Поскольку метан, поступивший в водную толщу, сравнительно быстро окисляется и легко мигрирует в атмосферу распространение его на заметные расстояния от источников посту­ пления (генерации) маловероятно. Эта свойство особенно благо­ приятно для оконтуривания зон загрязнения органическими вещест­ вами.

Максимальные значения в устье, вероятно, обусловлены выно­ сом рекой органических веществ и накоплением их в дельте. Нема-

Рис. 49. Распределение содержания метана (осреднённые значения) по длине рек

важным фактором повышенных содержаний метана в устьях рек яв­ ляется и то, что, как правило, устьевые участки рек наиболее засе­ лены.

В естественных условиях основным фактором, контролирующим распределение метана в реках, является скорость течения, опреде­ ляющая характер механической миграции органического вещества (вынос, транспортировка, аккумуляция), и, как следствие, тип дон­ ных отложений. Наибольшей способностью концентрировать орга­ нические вещества, взвеси и химические элементы обладают мел­ коалевритовые и глинистые илы, отлагающиеся на участках со спо­ койным гидродинамическим режимом. Седиментация значительного количества взвешенных веществ на дно, а вместе с этим и повы­ шенное накопление, органического вещества на таких участках ве­ дет к снижению содержания кислорода в воде, к ухудшению условий аэрации осадков и образованию в них восстановительной обстанов­ ки. Всё это оказывает благоприятное воздействие на активизацию роста и дальнейшее развитие анаэробных микроорганизмов, в том числе и метаногенного сообщества.

В качестве примера рассмотрим распределение метана в ниж­ нем течении реки Дон (рис.50). В р. Дон выявлена тенденция увели-

10 - ниж е водосброса г. Азов

чения содержания метана, как в воде, так и в донных осадках по направлению к морскому краю дельты. Данный факт объясняется сменой в этом направлении песчаных отложений более мелкозер­ нистыми осадками, в результате чего возрастает их способность ак­ кумулировать органические вещества. Однако, как видно из рисун­ ков, в районе влияния городов и загрязненных притоков содержание метана существенно увеличивается, что вызывает отклонение от данной тенденции.

Как уже отмечалось, в изменении содержания метана в реках, расположенных на урбанизированных территориях, увеличения концентрации метана по направлению к устью может и не наблю­ даться. Нередки.случаи, когда содержание метана в воде и отложе­ ниях устьевых участков рек значительно ниже, чем в расположен­ ных выше по течению, что вызвано спецификой хронического ан­ тропогенного воздействия. Для примера, на рис.51 приведено рас­ пределение метана в р. Раздольная, в среднем течении, подвер­ гающейся мощному антропогенному воздействию промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод г. Уссурийск. На этом участке в реку Раздольная напрямую, помимо хозяйственно-бытовых сточных вод города, сбрасываются сточные воды кожевенного комбината и опосредованно, через её притоки - реки Комаровка и Раковка - по­ ступают сточные воды сахарного и масложирового комбината, ло­ комотиворемонтного завода, вагонорефрижераторного де-по. Со­ держание метана в р. Раздольная под влиянием сточных вод увели­ чивается до 1406,0 мкл/л. Ниже по течению, по направлению к мор­ скому краю дельты реки его концентрация в воде постепенно сни-

Рис. 51. Р а сп р е де ле н и е м е та н а (м кл/л) в воде р. Р а зд о л ь н ая

жается и через 100 км на выходе в Таврический лиман Амурского залива составляет 17,0 мкл/л.

Отсутствие тенденции увеличения содержания метана по на­ правлению к устью отмечалось и в таких реках, как Тузлов, Большая Крепкая, Эльбузд, на определённых участках, испытывающих мощ­ ную антропогенную нагрузку, что и вносит свои коррективы в рас­ пределение в них метана.

В обследованных авторами горных реках, диапазон изменения содержания метана по длине рек в водной толще обычно меньше, чем в равнинных реках. Преобладание в русле горных рек грубооб­ ломочного материала, слабая заселенность берегов, низкая темпе­ ратура вод, обусловленная, ледниковым и снеговым питанием рек, предопределяют и относительно низкие здесь содержания метана, как правило, не превышающие 5,0-6,0 мкл/л. Однако в районах, подверженных хроническому антропогенному воздействию, содер­ жание метана в воде может резко возрасти до значений, характер­ ных для загрязненных равнинных рек. Примером может являться река Белая (рис. 52). Как видно из рисунка 52, содержание метана в истоке реки (гора Фишта) мало отличается от его концентрации в русле реки на расстоянии 50-80 км от истока. Кроме того, практиче-

Рис. 52. Распределение метана (мкл/л) в воде реки Белая и её притоках

ски нет различий и в абсолютных содержаниях метана в воде прито­ ков, впадающих в реку Белая. Однако, ниже по течению, на участке, прилегающем к г. Майкоп, содержание метана возрастает до ‘22,4 мкл/л, что в 4 раза выше среднестатистических значений характер­ ных для незагрязнённых участков р. Белая.

Исследования рек Прикавказского побережья Чёрного моря [239], как правило, также показывали приуроченность максимальных концентраций метана к устьям рек и районам с интенсивной произ­ водственной или сельскохозяйственной нагрузкой.

Неоднородность распределения содержания метана по ширине реки явление обычное. Особенно чётко она проявляется на антро­ погенно загрязнённых участках. В табл.47 приведены данные о рас­ пределении метана по поперечному разрезу некоторых рек. Анализ материалов отчётливо показывает, что по поперечному разрезу ан-

Распределение метана в водной толще по поперечному разрезу русел рек

тропогенно загрязнённых рек наиболее высокие концентрации ме­ тана приурочены к тому берегу, на котором расположены источники загрязнения.

В районах, не подверженных сильному антропогенному влия­ нию, как правило, минимальные содержания метана фиксируются в

средней части русла (по фарватеру); с берегов могут наблюдаться как близкие друг другу, так и различные значения, что связано со многими факторами: влиянием притоков, различием в скоростях те­ чения у берегов, глубиной, волновым и ветровым режимами, лито­ логическим типом осадков. В общем случае, максимальные концен­ трации метана будут приурочены к тем участкам, куда сносится с поверхности водосбора, где продуцируется и аккумулируется наи­ большее количество органического вещества. Как правило, это хо­ рошо прогреваемая и мелководная прибрежная зона, с застойным гидродинамическим режимом, в которой отлагаются алевритовые и глинистые илы. В небольших речках со слабым течением (Темерник, Тузлов, Кагальник, Эльбузд), максимальные содержания мета­ на в воде и донных осадках отмечаются в прибрежных, камышовых, застойных участках.

Исследования распределения метана по поперечному разрезу р. Дон показали, что в донных отложениях и водной толще нижнего те­ чения реки (от г.Аксая до г.Азова) отчётливо вырисовывается тен­ денция нарастания содержания метана от левого к правому берегу реки. Выявленная поперечная зональность легко объяснима. Это вызвано возрастанием в этом направлении концентрации органиче­ ских веществ и, в частности, растворённого органического вещества (по перманганатной окисляемости [20]). На правобережье сосредо­ точены ландшафты, создающие наиболее мощную антропогенную нагрузку на Нижний Дон. Именно к правому берегу приурочены крупные промышленные центры (гг. Ростов-на-Дону, Аксай), по­ ставщиками РОВ служат притоки Кагальник, Северский Донец, Ак­ сай, Темерник, а также серия сбросных каналов. Источниками по­ ступления РОВ на левобережье являются лишь воды Сала и Маныча. Немаловажным фактором, влияющим на более высокие концен­ трации метана на правом берегу, является крутой склон, в резуль­ тате чего увеличивается, по сравнению с пологим левым берегом, снос как терригенного, так и органического вещества, необходимого для развития бактерий.

Подробное исследование по поперечному разрезу р. Дон в 2000-2001 гг., на участке от впадения протоки Аксай до Зелёного острова, показало следующее. Концентрация метана в донных от­ ложениях и водной толще прибрежной полосы правого берега (до 10 м) варьирует соответственно в диапазоне 0,03-25,70 мкг/г в.в. (ср. сод. 2;49 мкг/г в.в.) и 2,9-125,7 мкл/л (ср. сод. 33,1 мкл/л) (табл. 48). Отложения этой зоны, подвержены колебаниям уровня воды (сгоны, нагоны) и волновому воздействию. Они представлены пес­ ками и алеврито-песчаными отложениями, как правило, тёмно - се­ рого до чёрного цвета, с многочисленными органическими остатка-

Таблица 48 Распределение содержания метана е воде и донных отложениях

* - в скобкахсреднеезначение

ми. Там, где дно устлано гравием, галькой и валунами пробы дон­ ных отложений не отбирались.

За этой прибрежной зоной песков и алеврито-песчаных отложе­ ний расположена зона накопления илов, сложенных более мелко­ зернистым материалом (мелкоалеврито-пепитовым) с примесью песчаного. Ширина этой зоны 20-25 м, глубина на участке изменяет­ ся от 0,5 до 1,6 м. Мощность верхнего очень рыхлого слоя этих илов составляет 15-20 см, после которого илы значительно уплотняются. Описываемая зона, по мнению авторов, является зоной с очень вы­ сокой скоростью осадконакопления, где аккумулируется в основном мелкоалевритовый терригенный, а также органогенный материал, смываемый с береговой линии и склонов. Именно к этой зоне при­ урочены наибольшие значения содержания метана в донных осад­ ках и воде, которые составляют соответственно 0,44-50,9 мкг/г в.в. (среднее содержание 7,11 мкг/г в.в.) и 12,3-155,0 мкл/л (ср. сод. 65,5 мкл/л).

За этой зоной, в 30-50 м от берега, где наблюдается увеличение скорости течения, располагается участок, на котором илы очень плотные, с незначительным полужидким верхним горизонтом (0-1,5 см). Глубина зоны от 1,6 до 2,5 метра. Содержание метана в отло­ жениях здесь уменьшается, что обусловлено, вероятно, более низ­ кой аккумуляцией органического вещества, по сравнению с преды­ дущей зоной. Концентрация метана в донных осадках и водной толще на этом участке составляет соответственно 0,16-7,00 мкг/г в.в. (среднее содержание 3,28 мкг/г в.в.) и 39,6-76,9 мкл/л (среднее содержание 53,4 мкл/л).

Далее, по направлению к центральным участкам реки, содержа­ ние метана в целом уменьшается, хотя на локальных участках воз­ можно выявление и очень высоких значений (табл.48).

На левом берегу, в 60-метровой зоне, в донных отложениях (мелкоалевритовые илы) концентрация метана изменялась в пре­ делах 0,01-0,83 мкг/г в.в. (среднее содержание 0,13 мкг/г в.в.). Мак-