DAILY DYNAMICS OF METHANE CONCENTRATIONS IN TAIL WATER OF RIVER DON AND TAGANROG BAY

Гарькуша Д.Н.¹, Фёдоров Ю.А.², Тамбиева Н.С.³

¹ORCID: 0000-0001-5026-2103, кандидат географических наук, ²доктор географических наук,

^1,2Институт наук о Земле Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону

³Старший научный сотрудник, ³ФГБУ «Гидрохимический институт», г. Ростов-на-Дону

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 16-05-00976)

СУТОЧНАЯ ДИНАМИКА КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕТАНА В ВОДЕ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ ДОН И ТАГАНРОГСКОМ ЗАЛИВЕ

Аннотация

Проанализированы материалы наблюдений авторов за суточной динамикой метана в воде нижнего течения реки Дон и Таганрогского залива Азовского моря. Наибольшая изменчивость суточной динамики метана наблюдается в прибрежной зоне, а также на участках, где происходит активное смешение речных и морских вод. В дельте и придельтовой части реки Дон в безветренную солнечную погоду максимальные концентрации газа фиксируются в послеполуденное время в период наибольшего прогрева воды, минимальные значения отмечаются в ночной период. В Таганрогском заливе закономерностей в суточной динамике метана не просматривалось, что обусловлено неустойчивостью гидродинамического режима Азовского моря.

Ключевые слова: парниковые газы, метан, суточная динамика, водная толща, газообмен.

Gar'kusha D.N.¹, Fjodorov Ju.A.², Tambieva N.S.³

¹ORCID: 0000-0001-5026-2103, PhD in Geography,

²PhD in Geography, ³Senior Researcher, FSI "Hydrochemical Institute", Rostov-on-Don

Institute of Earth Sciences of the Southern Federal University,

This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (project No. 16-05-00976)

DAILY DYNAMICS OF METHANE CONCENTRATIONS IN TAIL WATER OF RIVER DON AND TAGANROG BAY

Abstract

The authors analyzed the observational data of the daily dynamics of methane in tail water of the river Don and Taganrog Bay of the Azov Sea. The greatest variability of the daily dynamics of methane was observed in the coastal zone, as well as in areas of active mixture of river and sea water. The maximum gas concentrations are fixed in the river estuary and re-estuary part of the Don River in windless sunny weather, in the afternoon time during the period of the maximum warming up of water, and the minimum values are recorded at night period. Any regularity, caused by the instability of the hydrodynamic mode of the Azov Sea, in the daily dynamics of methane in the Taganrog Baywere were not observed.

Keywords: greenhouse gases, methane, daily dynamics, water layer, gases interchange.

Интерес к метану как компоненту химического состава природных вод обусловлен рядом причин [1], [2], [3], [4], [5]: изучением круговорота углерода, возможностью использования метана в качестве индикатора органического загрязнения, необходимостью учета эмиссии газа в системе «вода – атмосфера», в связи с его ролью в формировании парникового эффекта. Обобщение данных по содержанию метана в разнообразных водоемах и водотоках суши [3], [6], [7],  показали, что этот газ постоянно присутствует в воде и донных осадках, а его уровень отражает интенсивность продукционно-деструкционных процессов, а, следовательно, степень евтрофирования и загрязнения органическими веществами водных объектов [3], [5]. Сезонная и суточная изменчивость содержания метана на каждом отдельном участке водного объекта обусловлена воздействием, главным образом, климатических и метеорологических факторов [3], [8], оказывающих влияние на изменчивость гидродинамического режима и физико-химических условий в водоеме, и в частности на температурный и кислородный режимы, влияющие на интенсивность продукционно-деструкционных процессов [3], [5]. Анализ опубликованных данных [3], [4] показывает, что информация о суточной динамике метана немногочисленна и чрезвычайно разрозненна, нет обобщающих работ по данной проблематике. В настоящей работе проанализированы и обобщены материалы многочисленных наблюдений авторов за суточной динамикой концентраций метана в воде нижнего течения реки Дон и Таганрогского залива Азовского моря с целью установления ее особенностей.

В нижнем течении реки Дон суточные наблюдения проведены на четырех станциях (рис. 1): в дельте реки – в районе х. Рогожкино, х. Донской и Свином Ерике, а также в придельтовом участке – Нахичиванской протоке. В Таганрогском заливе суточные наблюдения выполнены на трех станциях, две из которых расположены на участках, удаленных от берега, – в районе г. Ейска (глубина 3.7 м) и в районе Чумбур-косы (глубина 3.2 м), и одна – в береговой зоне Очаковской косы. На станциях «х. Рогожкино» и «Очаковская коса» отбор проб проводился с берега, на станции «протока Нахичиванская» – с мостков, на остальных станциях наблюдения велись с борта научно-исследовательских судов Донской устьевой станции (ДУС, г. Азов).

Рис. 1 – Местоположение станций наблюдения за суточной динамикой концентраций метана в воде нижнего течения р. Дон и Таганрогского залива

 

В таблице 1 представлены данные о пределах суточного изменения концентраций метана в воде исследованных станций, приведены величины среднего арифметического содержания х и среднего квадратического отклонения S_x, по которым рассчитаны коэффициенты вариации V (S_x/x · 100%). Рассчитанные коэффициенты вариации в данном случае характеризуют изменчивость содержаний метана в течение суток относительно средних величин. В соответствии с [9], если коэффициент вариации меньше 10%, то изменчивость вариационного ряда принято считать незначительной, от 10 до 20% – средней, от 20 до 33% – значительной, коэффициент вариации более 33% говорит о большой неоднородности вариационного ряда.

 

Таблица 1 – Суточная динамика концентраций метана в воде нижнего течения реки Дон и Таганрогском заливе и её статистические характеристики

Местоположение станций наблюдения	Горизонт отбора проб	Глубина до дна, м	n	Пределы изменения, мкл/л	х, мкл/л	Sx, мкл/л	V, %
р. Дон, пр. Нахичиванская	поверхность	1.8-2.0	14	63.2-136.6	88.6	18.0	20
Дельта р. Дон, х. Рогожкино	поверхность	0.6	10	71.3-155.7	125.0	28.3	23
Дельта р. Дон, Свиной Ерик	поверхность	3.0	8	30.8-46.5	36.3	6.1	17
	середина		8	33.0-51.5	39.3	7.0	18
	дно		8	26.9-49.8	35.6	7.4	21
Дельта р. Дон, х. Донской	поверхность	2.5-3.0	8	21.7-67.5	57.1	11.0	19
	дно		8	32.1-64.8	48.5	11.1	23
Очаковская коса Таганрогского залива	поверхность	0.4-0.5	18	10.7-33.0	20.7	6.4	31
Очаковская коса Таганрогского залива, лиман	поверхность	1.5	18	11.1-28.1	17.1	5.1	30
Чумбур-коса Таганрогского залива	поверхность	3.2	6	2.6-5.7	4.2	1.3	31
	дно		6	2.1-7.0	5.1	1.7	33
Таганрогский залив, г. Ейск	поверхность	3.7	8	4.5-6.8	5.5	0.7	12
	середина		8	3.7-5.0	4.6	0.5	11
	дно		8	3.9-8.2	5.9	1.4	23

Анализ таблицы 1 показывает, что коэффициенты суточной вариации содержания метана в воде исследованных водных объектов изменяются в пределах 11-33% (в среднем 23%, что классифицируется, как значительная изменчивость). Наибольшая изменчивость (V от 30 до 33 %) характерна для прибрежной зоны, а также участков, где происходит наиболее активное смешение речных и морских вод. При этом в Таганрогском заливе значительная изменчивость фиксируется в восточной его части (район Чумбур косы), в то время как в западной (район г. Ейск) – изменчивость классифицируется как средняя. Для исследованных районов Таганрогского залива более высокая изменчивость суточных содержаний метана фиксируется в придонном слое воды. Для сравнения: в дельте р. Северная Двина, для которой характерны сложные гидрологические и гидрохимические режимы, обусловленные взаимодействием речных и морских вод при приливно-отливных явлениях, в вершине дельты (о. Соломбала) наибольшая суточная изменчивость наблюдалась в придонном горизонте, на устьевом взморье (о. Мудьюг) – в поверхностном [6].

На рисунке 2 представлены графики суточной динамики содержания метана в воде станций нижнего течения реки Дон. Анализ данных показывает, что для станций «протока Нахичиванская», «хутор Донской», «хутор Рогожкино» в безветренную солнечную погоду максимальные концентрации газа фиксируются в послеполуденное время, минимальные значения отмечаются в ночной период. Тенденция возрастания концентраций метана с увеличением температуры воды (максимум в период наибольшего прогрева воды) и снижение его количества в ночное время наблюдалась авторами [7] также в устье р. Лососинка и в Петрозаводской губе Онежского озера. Температурный режим во многом определяет не только суточную, но также сезонную и межгодовую изменчивость уровня содержания метана [10], о чем свидетельствуют зависимости между содержанием метана в воде и температурой. Это согласуется с выводами [11] о роли температуры, как одного из ключевых факторов, влияющих на скорость метаногенеза в водоемах и водотоках.

1 – поверхностный, 2 – средний, 3 – придонный слой воды

Рис. 2 – Суточная динамика концентраций метана в воде нижнего течения р. Дон в августе различных лет: а – Свиной Ерик; б – Нахичеванская протока; в – рукав Старый Дон, хутор Донской; г – Гирло Старое, хутор Рогожкино

 

Интересны результаты, полученные в ходе исследований, проведенных в дельте Дона в Свином Ерике. Ночью перед отбором проб в 24:00 начался ливневый дождь (см. рис. 2а), который продолжался до 6:00 утра, штиль сменился сильным ветром по направлению от ближнего к точке наблюдения берега. Это повлекло за собой резкое повышение концентрации метана в поверхностном горизонте с пиком (46.5 мкл/л) в 3:00 часа ночи. В среднем слое в это время количество метана медленно росло и достигло пика в 9:00 часов, после того как дождь закончился. В придонном слое содержание метана в начале дождя несколько повысилось, а затем постепенно снизилось. Увеличение концентраций газа, вероятно, было вызвано смещением под влиянием ветра водных масс, первоначально протекающих ближе к берегу, а, следовательно, более насыщенных метаном, поскольку именно прибрежные участки с иловыми отложениями, являются зонами максимальной генерации метана [3].

На рисунке 2б представлен суточный ход содержания метана в воде Нахичиванской протоки. Эти наблюдения интересны тем, что после шести часов вечера в течение 25-30 минут визуально наблюдалось интенсивное выделение донными отложениями крупных и мелких газовых пузырьков диаметром от менее 0,5 до 4 см, что вероятно и вызвало резкий скачок его концентраций в воде, зафиксированный в 19:00 часов.

Наблюдения в Таганрогском заливе, как на прибрежной станции, так и на станциях, удаленных от берега, показали иной, чем в нижнем течении р. Дон характер суточной динамики концентраций метана. В западной части Таганрогского залива в районе г. Ейск в отличие от р. Дон выявлено не менее 3-х пиков максимума и минимума для каждого из горизонтов воды (рис. 3а). При этом большинство пиков в этих слоях были несинхронными между собой по времени. Такой же характер суточной динамики метана наблюдался и в восточной части залива в районе Чумбур-косы (рис. 3б), то есть ни для одного из горизонтов, четких закономерностей не просматривалось.

1 – поверхностный, 2 – средний, 3 – придонный слой воды

Рис. 3 – Суточная динамика концентраций метана в воде Таганрогского залива в августе различных лет: а – район г. Ейск; б – район Чумбур-косы

 

В Таганрогском заливе в прибрежной зоне Очаковской косы, где отлагается мелкозернистый песок, содержащий очень низкие концентрации метана, суточные наблюдения проводились одновременно в двух точках, расположенных на расстоянии около 20 м друг от друга и на расстоянии до 1-2 м от берега каждая (рис. 4). Близость точек обусловливала равное воздействие изменений погодных условий на полученные результаты. Песчаные отложения также не могли вызывать сильных различий в скорости метаногенеза и, как следствие изменить содержание концентраций метана в воде. Существенным отличием является то, что в точке 1 берег был представлен пляжем, а в точке 2 – зарослями камышей (см. рис. 4а).

Рис. 4 – Месторасположение точек отбора проб (а) и суточная динамика концентраций метана (б) в поверхностном слое воды Таганрогского залива, Очаковская коса (октябрь): на рис. 4а – 1 – станция наблюдений; 2 – береговая линия во время нагона воды; 3 – песок; 4 – камыши; на рис. 4б – 1 – точка 1; 2 – точка 2

 

Как видно из рисунка 4б, концентрация метана в обеих точках в начале наблюдений изменялась синхронно и в течение дня с утра до вечера шло постепенное снижение содержаний метана, с минимумом в 8 часов вечера. К 22:00 часам концентрации газа в обеих точках резко возросли. Далее до 1:00 часу шло одновременное снижение концентрации метана. С 1:00 ч. суточная динамика в точках 1 и 2 начала различаться. В точке 1 уровень содержания стабилизировался, а с 4:00 часов началось его плавное снижение. В точке 2 в это время концентрация метана, напротив, резко возрастала до своего суточного максимума (33.0 мкл/л). После 7:00 часов содержание метана начало снижаться, и концу наблюдений оно было чуть выше уровня, который наблюдался в начале суточного эксперимента.

Разница в суточном ходе концентраций метана в двух наблюдаемых точках обусловлено различной береговой линией и изменением гидрологического режима: около 18:00 часов 13.10.99 г. начался нагон воды, уровень медленно поднимался, дойдя до высшей отметки 30 см в 24:00 часа (см. рис. 4б). Вода в районе 20:00 часов стала перетекать через песчаную перемычку в лиман (точка 1). Нагоном более насыщенных метаном вод с удаленных от берега участков, где отлагаются более тонкие осадки (илы) [3] и обусловлен рост концентраций газа в этот период в воде станций наблюдения. Последующие различия в суточном ходе, по всей видимости, связаны с тем, что в точке 2 находились прибрежные заросли камыша, в которые интенсивно поступала вода при нагоне. И как только воздействие нагона ослабло, вода стала поступать из зарослей камыша обратно, неся с собой повышенные количества метана, который интенсивно образуется в таких заросшим камышом застойных участках. В то же время в точке 1 роста содержаний метана не наблюдалось, поскольку берег, в этой точке песчаный. Таким образом, изменение гидрологического режима, в частности, воздействие сгонно-нагонных явлений может существенно влиять на суточный ход концентраций метана в воде.

Таким образом, для суточной динамики содержания метана в воде исследованных участков в целом характерна значительная изменчивость. Наибольшая изменчивость наблюдается в прибрежной зоне, а также на участках, где происходит активное смешение речных и морских вод. В дельте и придельтовой части р. Дон в безветренную солнечную погоду максимальные концентрации газа фиксируются в послеполуденное время в период наибольшего прогрева воды, минимальные значения отмечаются в ночной период. При этом наблюдаются синхронные изменения концентраций газа в придонных и поверхностных слоях воды. Выявленная тенденция и её повторяемость в различные экспедиционные периоды отчетливо указывает на связь суточной динамики изучаемого газа с биоритмами микроорганизмов и, в частности, метаногенов. В то же время изменение метеообстановки приводит к искажению описанного выше естественного суточного хода и способствует появлению дополнительных максимумов и минимумов его концентраций, не связанных с ходом температуры [8].

В ходе суточных наблюдений как в западной, так и в восточной части Таганрогского залива ни для одного из горизонтов воды (поверхностный, средний, придонный), закономерностей в суточной динамике его концентраций не просматривалось. Большинство пиков максимумов и минимумов концентраций метана в этих слоях были несинхронными во времени. Вероятно, отсутствие в суточном распределении метана четких ритмов, которые характерны для нижнего течения р. Дон, обусловлено неустойчивостью гидродинамического режима Азовского моря, вследствие дрейфовых течений, и особенно перманентных сгонно-нагонных явлений, перемещающих водные массы с различным содержанием метана, в результате чего при стационарных суточных наблюдениях, содержание метана в воде может существенно варьировать. Это маскирует естественный суточный ход метана, обусловленный соотношением ритмов его образования и окисления соответственно метаногенами и метанотрофами.

Список литературы / References

1. Кузнецов С. И. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах / С. И. Кузнецов, A. E. Саралов, T. Н. Назина. – М.: Наука, 1985. – 213 с.
2. Федоров Ю. А. Теоретические аспекты связи метаногенеза с загрязнением воды и донных отложений веществами неорганической и органической природы / Ю. А. Федоров, Н. С. Тамбиева, Д. Н. Гарькуша, В. О. Хорошевская, Р. М. Кизицкий // Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Сер. Естеств. науки. – – №4. – С. 68–73.
3. Федоров Ю. А. Метан в водных экосистемах. 2-е изд., перераб. и доп. / Ю. А. Федоров, Н. С. Тамбиева, Д. Н. Гарькуша, В. О. Хорошевская. – Ростов-на-Дону – Москва: ЗАО “Ростиздат”, 2007. – 330 с.
4. Леин А. Ю. Биогеохимический цикл метана в океане / А. Ю. Леин, М. В. Иванов / Отв. ред. А. П. Лисицин. – М., Наука, 2009. – 576 с.
5. Гарькуша Д. Н. Метан как индикатор условий раннего диагенеза и экологического состояния водных экосистем / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Федоров, Н. С. Тамбиева // Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Сер. Естеств. науки. – – №6. – С. 78–82.
6. Гарькуша Д. Н. Метан в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины (Белое море) / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Федоров, М. И. Хромов // Океанология. – – Т.50. №4. – С. 534–547.
7. Гарькуша Д. Н. Особенности распределения содержания метана в прибрежных участках Петрозаводской губы Онежского озера / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Федоров // Водные ресурсы. – 2015. – Т.42. – №3. – С. 288–
8. Гарькуша Д.Н. Глобальный сток метана в составе атмосферных осадков и его влияние на формирование концентраций метана в водных экосистемах / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Федоров, Н. С. Тамбиева // Международный научно-исследовательский журнал. – – №9(51). – Часть 3 (сентябрь). – С. 16-20.
9. ЛакинГ. Ф. Биометрия. Уч. пособ. для студ. биолог. спец. ВУЗов. 4-е изд., перераб. и доп. / Г. Ф. Лакин. – Москва “Высшая школа”. – 350 с.
10. Гарькуша Д. Н. Температура, как фактор формирования концентраций метана в водных экосистемах / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Федоров // Сб. тр. II Междунар. научно-практ. конф. “Географические аспекты устойчивого развития регионов” (Гомель, 23–24.03.2017 г.) [Электронный ресурс]. – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2017. – С. 442–
11. Федоров Ю. А. Температура и ее влияние на эмиссию метана из водных объектов (по результатам экспериментального и математического моделирования) / Ю. А. Федоров, Д. Н. Гарькуша, М. Л. Крукиер // Известия Вузов. Сев.-Кав. регион. Серия Естеств. науки. – – №6. – С. 99–101.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kuznecov S. I. Mikrobiologicheskie processy krugovorota ugleroda i azota v ozerah [Microbiological processes of the carbon cycle and nitrogen in lakes] / S. I. Kuznecov, A. E. Saralov, T. N. Nazina. – Moscow: Nauka, 1985. – 213 p.
2. Fedorov Ju. A. Teoreticheskie aspekty svjazi metanogeneza s zagrjazneniem vody i donnyh otlozhenij veshhestvami neorganicheskoj i organicheskoj prirody [Theoretical aspects of the relationship of methanogenesis with the contamination of water and bottom sediments with substances of inorganic and organic nature] / Ju. A. Fedorov, N. S. Tambieva, D. N. Gar'kusha, V. O. Horoshevskaja, R. M. Kizickij // Izvestija vuzov. Severo-Kavkazskij region. Serija Estestvennye nauki [Bulletin of universities. The North Caucasus region. Series of Natural Sciences]. – 2000. – №4. – P. 68–73. [in Russian]
3. Fedorov Yu. A. Metan v vodnyh jekosistemah. 2-e izd. [Methane in Aquatic Ecosystems, 2nd ed.] / Yu. A. Fedorov, N. S. Tambieva, D. N. Gar'kusha, V. O. Khoroshevskaya. – Rostov-on-Don, Moscow: Rostizdat, 2007. – 330 p. [in Russian]
4. Lein A. Ju. Biogeohimicheskij cikl metana v okeane [Biogeochemical cycle of methane in the ocean] / A. Ju. Lein, M. V. Ivanov / Ed. edited by A. P. Lisitsin. – Moscow: Nauka, 2009. – 576 p.
5. Gar'kusha D. N. Metan kak indikator uslovij rannego diageneza i jekologicheskogo sostojanija vodnyh jekosistem [Methane as an indicator of early diagenesis and the ecological state of aquatic ecosystems] / D. N. Gar'kusha, Ju. A. Fedorov, N. S. Tambieva // Izvestija vuzov. Severo-Kavkazskij region. Serija Estestvennye nauki [Bulletin of universities. The North Caucasus region. Series of Natural Sciences]. – 2013. – №6. – P. 78–82. [in Russian]
6. Gar'kusha D. N. Metan v vode i donnyh otlozhenijah ust'evoj oblasti Severnoj Dviny (Beloe more) [Methane in water and bottom sediments of the mouth area of the Severnaya Dvina (the White Sea)] / D. N. Gar'kusha, Ju. A. Fedorov, M. I. Hromov // Okeanologija [Oceanology]. – 2010. – T.50. №4. – P. 534–547. [in Russian]
7. Gar'kusha D. N. Osobennosti raspredelenija soderzhanija metana v pribrezhnyh uchastkah Petrozavodskoj guby Onezhskogo ozera [Features of the distribution of methane content in the coastal areas of the Petrozavodsk Bay of lake Onega] / D. N. Gar'kusha, Ju. A. Fedorov // Vodnye resursy [Water resources]. – 2015. – T.42. – №3. – P. 288–297. [in Russian]
8. Gar'kusha D.N. Global'nyj stok metana v sostave atmosfernyh osadkov i ego vlijanie na formirovanie koncentracij metana v vodnyh jekosistemah [The global flow of methane in the composition of atmospheric precipitation and its influence on the formation of methane concentrations in aquatic ecosystems] / D. N. Gar'kusha, Ju. A. Fedorov, N. S. Tambieva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – №9(51). – Part 3 (September). – P. 16-20.
9. Lakin G. F. Biometrija. Uch. posob. dlja stud. biolog. spec. VUZov. 4-e izd., pererab. i dop. [Biometrics. Uch. manual. for stud. biologist. spec. Universities. 4-e Izd., Rev.] / G. F. Lakin. – Moscow “Higher school”. 1990. – 350 p. [in Russian]
10. Gar'kusha D. N. Temperatura, kak faktor formirovanija koncentracij metana v vodnyh jekosistemah [Temperature as a factor in the formation of methane concentrations in aquatic ecosystems] / D. N. Gar'kusha, Ju. A. Fedorov // Sb. tr. II Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. “Geograficheskie aspekty ustojchivogo razvitija regionov” (Gomel', 23–24.03.2017) [Jelektronnyj resurs]. – Gomel': GGU im. F. Skoriny, 2017. – P. 442–447. [in Russian]
11. Fedorov Ju. A. Temperatura i ee vlijanie na jemissiju metana iz vodnyh ob#ektov (po rezul'tatam jeksperimental'nogo i matematicheskogo modelirovanija) [Temperature and its influence on methane emissions from water bodies (according to the results of experimental and mathematical modeling)] / Ju. A. Fedorov, D. N. Gar'kusha, M. L. Krukier // Izvestija vuzov. Severo-Kavkazskij region. Serija Estestvennye nauki [Bulletin of universities. The North Caucasus region. Series of Natural Sciences]. – 2012. – №6. – P. 99–101. [in Russian]