Текст книги "Тяжелые металлы в компонентах ландшафта азовского моря"

2.1. Районирование акватории Азовского моря

Первое физико-географическое районирование акватории Азовского моря (рис. 2.2) предложено Н. М. Книповичем (1938). Было выделено 12 районов, в том числе собственно в море – 9 районов, Таганрогском заливе – 3. В отдельные районы автор выделил Керченское предпроливье Азовского моря и Кубано-Темрюкский район, подчеркнув их особую важность, соответственно, как зон смешения вод Черного и Азовского морей и кубанских вод с морскими.

В работе (Федосов, Виноградова, 1955) была предложена схема районирования Азовского моря по интенсивности водообмена. Как видно из рисунка 2.3, данная схема районирования, исключая Таганрогский залив, существенно отличалась от схемы Н. М. Книповича, которая нашла широкое применение в гидрологических, гидрохимических и биологических исследованиях водоема.

С 1958 г. АзНИИРХом принята несколько иная схема районирования (Клёнкин и др., 2007). Таганрогский залив также разбит на три района – восточный, центральный и западный, а собственно море – на 5: северный, западный, южный, центральный и восточный (рис. 2.4).

Рис. 2.2. Районирование акватории Азовского моря по Н. М. Книповичу (1938):

1 – Предпроливье; 2 – Западный; 3 – Юго-западный; 4 – Северо-западный; 5 – Северный; 6 – Северо-восточный; 7 – Запад Таганрогского залива; 8 – Центр Таганрогского залива; 8а – Восток Таганрогского залива; 9 – Железинская банка; 10 – Кубано-Ахтарский; 11 – Кубано-Темрюкский; 12 – Центральный

Рис. 2.3. Распространение средней солености (в %) по зонам Азовского моря и Таганрогского залива (за 100 % принята средняя соленость азовской морской воды, по Федосову, Виноградовой, 1955)

Рис. 2.4. Районирование Азовского моря по АзНИИРХ (Клёнкин и др., 2007)

Районы Таганрогского залива: 1 – Восточный; 2 – Центральный; 3 – Западный; Собственно море: 4 – Северный; 5 – Западный; 6 – Южный; 7 – Центральный; 8 – Восточный

Территориально Керченское предпроливье Азовского моря (по Н. М. Книповичу) совпало с южным районом собственно моря. Этот же год можно назвать годом начала систематического гидролого-гидрохимического изучения Азовского моря Государственным океанографическим институтом (ГОИН) и Азовским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства (ФГУП «АзНИИРХ»). Изучение производилось ГОИНом и АзНИИРХом по сети станций – соответственно по «вековым разрезам» (60 станций) и 34 стандартным станциям (рис. 2.5).

С 1995 г. по настоящее время сначала Ростовским государственным, а затем Южным федеральным университетом выполняются научно-исследовательские работы на разработанной проф. Ю. А. Федоровым сети станций мониторинга (рис. 2.6) (Федоров, 1999, Федоров и др., 2001).

Рис. 2.5. Карта-схема стандартных станций мониторинговых исследований АзНИИРХ в Азовском море (Клёнкин и др., 2007)

Рис. 2.6. Схема станций мониторинга Азовского моря (по Федорову, 1999)

Сначала сеть станций располагалась на всей акватории Азовского моря, а затем, в связи с трудностями посещения территориальных вод Украины, только на той его части, которая подпадает под юрисдикцию Российской Федерации (рис. 2.7). Оптимизация предшествующих двух сетей станций была вызвана необходимостью изучения участков моря, находящихся на мелководье (особенно в районах импактного антропогенного воздействия), а также устьев рек и лиманов.

Рис. 2.7. Схема станций отбора проб во время проведения экспедиций с участием авторов

Особое внимание было также уделено континууму река Дон – Таганрогский залив, который отнесен к устьевой области реки Дон (рис. 2.8) (Михайлов, 1998; Гарькуша, Федоров, 2010). В работе принято решение разделить Азовское море на четыре крупные составные части: дельту реки Дон, Таганрогский залив, собственно Азовское море (открытая акватория) и Керченское предпроливье. Данное разделение основано на морфометрических и гидрологических особенностях выделенных районов.

Рис. 2.8. Районирование устьевой области реки Дон по (по Михайлов В. Н., 1998; Гарькуша и др., 2010)

1 – устьевой участок реки; 2 – придельтовый участок реки; 3 – дельта; 4 – устьевое взморье; РГУО (ВУО) – речная граница (вершина) устьевой области; МКД – морской край дельты; МГУО – морская граница устьевой области; ВД – вершина дельты. Пунктиром показаны границы устьевой области

Ранее было проведено ландшафтное районирование Азовского моря, которое основывалось на совокупности следующих факторов: геологическое строение, морфоструктурные особенности, литологические и геоморфологические условия, современные литодинамические процессы, температура, соленость, а также биологическое разнообразие (Хрусталев, Беспалова, 2000; Беспалова, 2006). В таблице 2.1 приведены выделенные в данной работе районы Азовского моря и соответствующие им ландшафты. Таким образом, в четыре крупных блока входит 10 типов ландшафтов: авандельты Дона, абразионных склонов северного побережья залива, Центрально-Таганрогской равнины, абразионных склонов южного побережья залива, Белосарайский, Восточной котловины, Восточно-Азовский, авандельта Кубани, ракушечных балок и Притаманский.

Таблица 2.1

Ландшафтная структура района исследования (по Хрусталеву, Беспаловой, 2000; Беспаловой, 2006)

Подход к районированию, который применен в настоящей монографии, обусловлен тем, что ландшафт Азовского моря является динамичной системой, претерпевающей существенные изменения при различных ветровых условиях, что позволяет провести объединение более мелких структурных единиц.

2.2. Расположение станций отбора проб

В работе особое внимание было уделено данным экспедиций 2006 г. (рис. 2.8). Это связано с тем, что, во-первых, произведено синхронное опробование таких компонентов ландшафта, как водная толща, взвешенное вещество и донные отложения, а, во-вторых, результаты были получены во время проведения экспедиции в различные сезоны, существенно различающиеся по ветровому режиму, ранее этот фактор в мониторинге не учитывался.

Подобный подход к изучению Азовского моря является новым (Федоров, Доценко, Михайленко, 2010; Fedorov, Dotsenko, Mikhailenko, 2011). Он позволяет получить сведения не только о содержании ТМ и органического вещества в различных компонентах ландшафта, но и об их литологическом составе и физико-химических параметрах в условиях перманентно изменяющейся в координатах пространство – время ветровой и геохимической обстановок.

Для получения усредненных характеристик по оси Таганрогского залива и открытой акватории Российского сектора Азовского моря были проложены два профиля через станции 42, 0, 32, 1, 3, 6, 9, 27, 15, 17, 18 в летний период и 0, 32, 3, 6, 9, 26, 22, 17, 18 (рис. 2.9).

В 2007 г. были проведены экспедиционные исследования в Таганрогском заливе, в ходе которых были отобраны пробы воды, взвешенного вещества и донных отложений на шести станциях (рис. 2.10).

На рисунке 2.11 приведена карта-схема расположения станций отбора проб в июле 2010 г., в ходе экспедиции были отобраны также пробы воды, взвешенного вещества и донных отложений на 12 станциях мониторинга в Таганрогском заливе и собственно в море.

Рис. 2.9. Карта-схема станций отбора проб

(○) – лето 2006 г., (■) – осень 2006 г.

Рис. 2.10. Схема станций отбора проб в 2007 г.

Рис. 2.11. Карта-схема расположения станций отбора проб в 2010 г.

Рис. 2.12. Схема расположения станций отбора проб в дельте реки Дон

С целью изучения содержания тяжелых металлов в почвенном покрове были проведены исследования в дельте реки Дон (рис. 2.12).

В ходе работ в соответствии с методикой (ГОСТ 17.4.4.02–84.) были отобраны пробы почв и донных отложений на пяти станциях: в районе городов Ростов-на-Дону и Азов, на гирлах Старое и Большая Кутерьма, а также в месте впадения реки Усть-Койсуг.

2.3. Метеорологические условия проведения экспедиций

Как уже было отмечено, в 2006 г. экспедиционные исследования проводились в различные сезоны года, поэтому далее приведено подробное описание гидрометеорологических условий во время летних и осенних работ. Так, в течение рейса в период с 18 по 22 июля 2006 г. обстановка на акватории Азовского моря характеризовалась большой неустойчивостью. Температура воздуха составляла +19 – +22°С, лишь 20 июля воздух прогрелся до +23 – +25°С. Ветер характеризовался существенными изменениями как по направлению, так и по скорости, а сила ветра изменялась от 2 до 8 баллов. Преобладали ветры западных (18–20 июля) и северо-восточного (21–22 июля) румбов, скорость изменялась от 3–4 м/с в утренние часы, а также 20 июля во второй половине дня до 6–12 м/с к вечеру 18, 19 июля и 12–17 м/с с порывами 21–22 июля. Наибольшие скорости отмечены для северо-восточного (14–17 м/с, 22 июля) и западного ветра (10–12 м/с, вечер 18 июля). Облачность в течение рейса была небольшой и изменялась от 6 баллов утром 18 июля, когда в течение часа шел дождь обложного характера, до 1–3 баллов вечером 18 июля, утром и днем 19, 20 июля и вплоть до полного отсутствия облаков 21–22 июля.

Волнение, как и ветер, сильно менялось как в период всего рейса, так и в течение каждого из его дней от 2–3 до 6–7 баллов. Утром 18 и 19 июля оно было очень слабым, к вечеру существенно усиливалось: в восточной части Таганрогского залива при глубинах 2 – 4 м высота волн составляла около 0,5 м, в западной части залива при глубинах 5 – 6 м достигала 1 – 1,5 м. В течение дня 20 июля в восточной части Азовского моря волнение оставалось довольно слабым: высота волны составляла 0,5 – 0,7 м при глубинах 6 – 9,5 м. Резкое усиление волнения при сильном северо-восточном ветре средняя высота волн составляла 2 – 3 м, поверхность моря была покрыта пеной.

Прозрачность воды изменялась от 0,5 – 0,8 м в Таганрогском заливе в условиях малых глубин и 0,8 – 0,9 м в Темрюкском заливе в штормовую погоду до 1,3 – 1,5 м в восточной части Азовского моря при глубинах 9 – 10 м и слабом волнении. На востоке Таганрогского залива, особенно вблизи г. Таганрога, отмечалось сильное цветение воды.

В течение рейса в период с 27 сентября по 1 октября 2006 г. отмечалось постепенное, но устойчивое похолодание и осложнение гидрометеорологической обстановки. В условиях подобного прогноза было принято решение начать работу с дальних станций, чтобы пройти открытую часть Азовского моря при благоприятной погоде.

Температура воздуха 27 и 28 сентября составляла 17°С утром, а днем доходила до +25 – +27°С. В последующие дни она стремительно понижалась и 1 октября уже не превышала +15 – +17°С. Ветер в период рейса в основном дул со скоростью 3 – 6 м/с, меняя свое направление достаточно часто в течение каждого дня. Сила ветра не превышала 2 баллов. В целом, в первые три дня преобладали ветры южных и восточных румбов (восточная и юго-восточная часть Азовского моря, вход в Таганрогский залив), а в последние два дня – западные и северо-западные (центральная и восточная части Таганрогского залива). Облачность в начале рейса составляла 0 – 2 балла, однако после полудня 28 сентября увеличилась до 5 – 8 баллов и в последующие дни составляла 7 – 10 баллов с редкими прояснениями. В облачном покрове преобладали высокослоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые облака. Из последних в течение вечера 29 сентября, ночи и утра 30 сентября с небольшими перерывами шел обложной дождь, принесенный ветром с запада, со стороны Мариуполя.

Волнение в первые два дня рейса, когда работы проводились в открытом море, было достаточно слабым (от 0 до 4 баллов), несколько усиливаясь к вечеру, когда высота волн достигала 0,5 – 1 м. В районе Керченского пролива отмечено цветение воды. К утру 29 сентября у входа в Таганрогский залив при глубине 6 – 8 м высота волн уже достигала 1,0 – 1,5 м, однако в заливе при глубинах менее 6 м в этот и последующие дни поверхность моря была спокойной, близкой к штилевой.

2.4. Методика проведения экспедиций

Настоящее исследование включает в себя материалы, полученные во время морских и наземных экспедиций в бассейне Азовского моря.

Рис. 2.13. Участники экспедиции в Азовском море летом 2006 года

Так в мелководных районах Таганрогского залива маршруты проводились на фелюге «Гроза», в то время как в более глубоководных – на судне ММД «БГК-244» (рис. 2.13). Наземные маршруты выполнялись на автотранспорте. При необходимости отбора проб на мелководье использовались маломерные суда. В ходе научно-исследовательских работ производился отбор проб воды, взвешенного вещества, донных отложений, и почв (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Объемы выполненных работ

Всего обработано 313 проб, количество определений физико-химических параметров составило 408, тяжелых металлов – 1799, органического вещества – 43. Проведено синхронное определение физико-химических характеристик поверхностного и придонного слоев воды во время ветровой активности и относительного безветрия.

В ходе экспедиционных работ пробы воды отбирались с борта судна в придонном и поверхностном горизонтах в соответствии с требованием руководства (ИСО 5667–2-1991) с помощью десятилитрового батометра Нискина. Перед отбором тара предварительно обрабатывалась азотной кислотой (HNO₃) разбавленной 1:1, затем дистиллированной водой. Пробы воды для определения свинца, меди, цинка, и кадмия консервировались 1 мл концентрированной азотной кислоты (HNO₃) марки «о.с.ч.», а для Hg разведенной 1:1 бидистиллированной водой двадцатипроцентным раствором K₂Cr₂O₇. в азотной кислоте марки «о.с.ч.».

Отбор проб донных осадков (рис. 2.14) осуществлялся в соответствии с требованиями (ГОСТ 17.1.5.01–80). Отложения отбирались с помощью грунтовой трубки конструкции ГОИН длиной 1 м, а при невозможности ее использования (в случае с песчаными и ракушечными отложениями) – с помощью дночерпателя «Океан-0,025» (Федоров и др., 2007). Отметим, что ранее различными организациями и ведомствами в Азовском море отбирался с помощью дночерпателя только самый верхний слой донных осадков, что не способствовало сохранению его структуры, а также исключало возможность изучения распределения и поведения ингредиентов по разрезу донных отложений.

Рис. 2.14. Колонка донных отложений

С целью последующего анализа донные отложения разделялись послойно, через каждые 5 см. Была применена оригинальная методика разделения проб ситовым методом без использования химических реактивов на гранулометрические фракции (Федоров и др., 1998, 2003), за основу которой приняты двухчленная и трехчленная классификации. Использование этой методики позволило исключить вероятность потери тяжелых металлов в ходе их последующего определения. Пробы весом около 50 г помещались в пластиковые пакеты и хранились в холодильнике до проведения анализа. Производилось визуальное описание литологического состава донных отложений, а на отдельных станциях определялся их гранулометрический состав. Необходимо отметить, что, несмотря на активную гидрометеорологическую обстановку во время летнего рейса, существенных изменений в распределении донных осадков не наблюдалось.

В дельте реки Дон был произведен отбор проб почв и донных отложений, который осуществлялся по поперечным профилям, включающим в себя участки на надпойменной террасе, пойме и русловой части реки (рис. 2.15).

Отмечено, что в прирусловой части поймы проток дельты Дона, как правило, залегают пески и супеси. Притеррасная часть поймы характеризуется развитием легких и тяжелых суглинков, в некоторых местах она почти полностью сложена тяжёлыми суглинками и глинами с незначительными прослойками песков в основании. Пробы отбирались из горизонтов 0–5 см и 5–15 см и так же, как донные отложения, до анализа хранились при низких температурах в пластиковых пакетах.

Рис. 2.15. Схема расположения участков отбора проб по поперечному профилю исследуемых проток дельты Дона и его геологическое строение:

1 – надпойменная терраса, 2 – притеррасный участок поймы, 3 – прирусловой участок поймы, 4 – русло реки (отбор донных отложений)

В ходе работ было отмечено, что в структуре почвенного покрова преобладали луговые, лугово-болотные, болотные, аллювиально-луговые и аллювиальные почвы. Содержание гумуса в верхнем горизонте (0–5 см) варьировало от 2 % на заболоченных почвах до 4–6 % в аллювиально-луговых глинистых и суглинистых.

В 2006 г. на каждой станции проведено вертикальное зондирование температуры, солености, О₂, рН, Eh от поверхности до дна СТДО₂рНеН-зондом «Гидролаб». Процент насыщения воды кислородом рассчитывался с помощью таблиц Грина-Кэррита. Все определения производились синхронно. В большинстве случаев для определения окислительно-восстановительного потенциала и водородного показателя использовались лицензированные приборы иономеров фирмы «Экотест-2000».

Определение металлов в нефильтрованных (валовая форма) и фильтрованных (растворенная форма) пробах выполнялось атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией проб по методике (Д 52.24.377–95), в лабораториях гидрохимического института, ГОИНа и Ростовского государственного университета. Измерения выполнялись на АА-спектрометре «КВАНТ-Z.ЭТА». Определение валового содержания ртути были проведены атомно-абсорбционной спектроскопией методом холодного пара аналитиком А. М. Аникановым по методикам (РД 52.24.479–95), детально описанной в работах (Федоров и др., 2003; Аниканов, Федоров, 2010; Овсепян, Федоров, 2011). Содержание ТМ во взвеси (объемная концентрация) определялось расчетным путем по разности между валовой и растворенной формой. Удельная концентрация ТМ (в мкг/г с.м. или нг/г с.м.) во взвешенном веществе рассчитывалась (косвенный метод) с учетом его содержания в воде (в мг/л) и/ или определялось в нем напрямую (прямой метод) (РД 52.24.671– 2005). Для расчета использовалась формула К_уд = (К_тм/С_в.в)•1000, где К_тм – объемное содержание тяжелых металлов во взвешенном веществе (мкг/л), а С_в.в. – концентрация взвеси в воде. Ранее для ртути (Fedorov, 2003; Федоров, Доценко, 2010) было определено, что в большинстве случаев содержание металла, определяемого прямым методом, было несколько выше установленного расчетным путем. Это свидетельствовало о том, что часть Hg во взвешенном веществе не мобилизуется в обычных условиях водоемов и водотоков, поскольку жестко связана с его органоминеральным комплексом. Следовательно, с эколого-токсикологической точки зрения ртуть, содержащаяся в структуре органоминеральной матрицы, не представляет опасности для живых организмов водных объектов и при получении статистически достоверного количества данных, эта доля может быть вычтена из её валового содержания в донных отложениях.

Анализ донных отложений на содержание тяжелых металлов проводился в межкафедральной лаборатории геолого-географического факультета Южного федерального университета. Определение металлов велось эмиссионным спектральным количественным анализом, проводившимся с помощью спектрографа PGS-2 и микрофотометра MD-100. В изучаемых пробах определялись концентрации марганца, свинца, хрома, никеля, меди, мышьяка и цинка. При этом погрешности определения, полученные на основании сравнений с эталонами, для Mn составили 20 мкг/г, для Cu – 2 мкг/г, для Pb, Zn и Ni – 3 мкг/г, а для для Cr и As – 1 мкг/г.

В процессе подготовки к анализу пробы высушивались в духовом шкафу и измельчались, в процессе чего почти вся содержащаяся в них ртуть должна была улетучиться. Поэтому и определение ртути в донных отложениях и почвах, а также анализ полученных результатов проводился отдельно по методике ПНД Ф 16.1:2.24– 2000. Определение в почвах содержания меди осуществлялось атомно-абсорбционным методом в региональном лабораторном центре «Южгеология».

Содержание растворенной и взвешенной форм органического вещества в водной толще определялось с помощью высокотемпературного анализатора органического углерода ТОС-5000А, в соответствии с руководством (2004). Органическое вещество донных отложений определялось методом Тюрина в модификации ЦИНАО и пересчитывалось на органический углерод (С_орг) (ГОСТ 26213–91; Тюрин, 1951) в межкафедральной лаборатории геолого-географического факультета Южного федерального университета (РГУ).

Глава 3. Характеристика физико-химических параметров ландшафта Азовского моря

Условия существования водных и донных биоценозов зависят не только от качества и количества органического вещества и биогенных компонентов, но и от таких факторов, как окислительно-восстановительный потенциал и водородный показатель, которые формируют «сумму жизни» гидробионтов. Для оценки воздействия повышенных содержаний тяжелых металлов (ТМ) на экосистему моря важно также знать преимущественные формы их нахождения и миграции. В свою очередь последние, тесно связаны с температурой, соленостью и физико-химической обстановкой (Eh и pH) в водной толще и на границе раздела вода – дно, которые контролируются динамикой водных масс, содержанием взвешенного вещества, составом растворенных газов, а также скоростью седиментации и ресуспензирования верхнего слоя донных осадков. В работе проведен анализ и обобщение оригинальных данных по температуре воды, солености, содержанию кислорода, значениям Eh и pH в поверхностном и придонном слое воды на станциях мониторинга в периоды ветровой активности и стагнации водных масс (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Физико-химические параметры во время ветровой активности и относительного безветрия

1 – поверхностный горизонт воды

2 – придонный горизонт воды

По данным, приведенным в таблице 3.1, были построены карты изменения физико-химических параметров по акватории Азовского моря.