Тяжелые металлы в компонентах ландшафта Азовского моря

Согласно «Географической энциклопедии» (http://enc-dic.com/enc_geo/) основной категорией территориального деления географической оболочки, одним из фундаментальных понятий географии и объектов её изучения являются ландшафты или природно-территориальные комплексы. Некоторые исследователи считают термин «ландшафт» синонимом понятия «экосистема». Различают аквальные и наземные ландшафты. В нашем понимании аквального ландшафта, которое созвучно с представлением о нем как о «сложной динамической системе водного объекта, состоящей из биоты (гидробионтов и бентосных организмов), донного основания – илов, песков, гальки и т. д. (подводной почвы), рельефа дна, связанных между собой потоками вещества и энергии», Азовское море рассматривается как аквальный ландшафт, который на протяжении нескольких десятилетий подвергается воздействию человека, начиная с гидротехнического строительства на реках Дон и Кубань, экстенсивного рыболовства, добычи из русел и дна донных осадков, дампинга и заканчивая загрязнением. Характерной чертой моря является его проточность, обусловленная водообменом с Черным морем, реками Дон и Кубань, малыми реками и развитием сгонно-нагонных явлений. Поэтому в соответствии с представлениями М. А. Глазовской (1956, 2002) этот водоем можно отнести к трансаквальным ландшафтам, где происходит перманентный привнос и вынос материала в составе жидкого и твердого стока. В течение нескольких часов в Азовском море в результате ветрового воздействия может резко измениться динамика водных масс и верхнего слоя донных отложений, что влечет за собой трансформацию физико-химических факторов и процессов. В свою очередь это приводит к изменению характера распределения и поведения веществ, включая ТМ, на границах раздела сред «вода – атмосфера», «вода – взвешенное вещество» и «вода – донные отложения» (Федоров, 1999; Федоров и др., 2003). В связи с этим изучение ТМ в воде, взвешенном веществе и донных отложениях, как пронизанных органической жизнью компонентах ландшафта Азовского моря, представляется важным с географической и геохимической точек зрения. Это не противоречит представлениям К. М. Петрова (1989), В. А. Николаева (1996), А. Д. Хованского (1993), Л. А. Беспаловой (2006) и других исследователей аквальных ландшафтов, рассматривавших донные отложения в качестве консервативной субстанции, а, наоборот, позволяет более глубоко понять геохимию ТМ в обстановке, когда на неё оказывается постоянное и изменяющееся во времени и пространстве активное гидродинамическое воздействие. В этом отношении нам ближе представление об Азовском море как об аквальном ландшафте, который является одновременно транзитным и аккумулятивным (по терминологии Б. Б. Полынова, 1953).

Стрелками показаны взаимосвязи между различными объектами

Рис. 2.1. Схема исследования тяжелых металлов в объектах окружающей среды

Одним из направлений исследований «Ведущей научной школы» профессора Ю. А. Федорова является изучение распределения концентраций тяжелых металлов в окружающей среде, включая биоту поверхностных вод и человека. Объектами данного исследования были морские воды, взвешенное вещество, донные отложения и почвы, которые рассматриваются как компоненты ландшафтов Азовского моря и его бассейна. Как показано на схеме, представленной на рисунке 2.1, содержащиеся в них тяжелые металлы включаются в глобальный геохимический круговорот вещества и энергии и могут оказывать прямое или косвенное влияние на человека, как бы возвращая ему обратно то, что он извлек из недр Земли или синтезировал. Это хорошо согласуется с представлениями В. И. Вернадского: «Лик планеты – биосфера – химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды» (Вернадский, 1967). Подходы и актуальность изучения ландшафтов описаны во многих работах (Полынов, 1953, 1956; Перельман, 1961; Мильков, 1970, 1986; Хованский, 1993; Перельман, Касимов, 1999; Дьяконов, 2007; Касимов, 2013; Федоров, Зимовец, 2013; Федоров и др., 2015; Зимовец и др., 2015 и др.).

Настоящая работа представляет собой результаты обобщения и анализа данных, которые были получены в ходе комплексных экспедиционных исследований, проведенных авторами и сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы в дельте реки Дон, Таганрогском заливе и открытой части Азовского моря, в период с 1995 по 2014 гг.

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