Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 193-202

ВВЕДЕНИЕ

В Азово-Донском бассейне, начиная с середины 50-х годов прошлого века, на фоне природной изменчивости стали нарастать разрушительные силы индустриальной природы. Маловодье и зарегулирование речного стока привели к необратимым деформациям естественных процессов, в частности иссушению почвы, уменьшению густоты мелких водоемов и водотоков. В Приазовье переломным в развитии водоема стало перекрытие в 1954 г. долины Дона Цимлянской плотиной, зарегулирование водотоков на всем протяжении водосборного бассейна от верховья до Азовского моря. До критической отметки обмелели Цимлянское и Краснодарское водохранилища. С момента их запуска 70 и 60 лет назад подобных условий не возникало. Сформировались условия, снижающие водность и почти полное прекращение стока – Миуса, Еи, Кагальника, Чумбурки и других малых рек (рис. 1).

В результате безвозвратно нарушена естественная ритмика речного стока, произошло сокращение запасов пресной воды в бассейне р. Дон и осолонение Азовского моря [1], возник дисбаланс между речными и черноморскими водами, усилилась адвекция в водную систему реки среднеминерализованной (5.39 г/л) подземной воды [2]. Неучет свойств аридной зоны, природной внутривековой цикличности климата и возможностей саморегуляции степной реки в яркой форме проявился в первой четверти XXI века.

На Нижнем Дону и Приазовье возник дефицит пресной воды, в том числе питьевой, в крупных городах (Таганрог, Азов и др.). Многие малые реки Приазовья в теплый период полностью прекращают сток. В условиях очевидной засухи всем отраслям сельхозпроизводства приходится соизмерять потребность в воде с имеющимися водными ресурсами. За 50 лет маловодья и снижения речного стока произошло явное заиление Таганрогского залива и дельты Дона. Несмотря на дноуглубление возникшая лавинная седиментация в Азово-Донском судоходном канале необратима. При восточных ветрах (более 6–8 м/сек) малые глубины на фарватере препятствуют регулярному движению морских судов в течение 2–3 нед.

Ярким примером природно-техногенной аномалии на фоне продолжительного маловодья на Дону стала ситуация, когда избыток воды от весеннего паводка привел к аварийным попускам воды из Цимлянского водохранилища. Среднесуточный объем сброса в р. Дон 6 мая достигал 1701 м³/с. В результате в начале мая 2018 г. произошло экстремальное затопление дельты.

До последних лет объем гидрохимической аналитики был ограничен. Данные наблюдения производились с учетом записей солености на автоматических гидрометеопостах. Зачастую пробы воды были отобраны не по сезонам и не привязывались к экстремальным стадиям сгонов и нагонов. Во время сгонно-нагонных процессов речные и морские воды при сходной величине солености имеют принципиально отличный химический состав [2]. Целью работы было выполнение предварительной типизации вод по химическому составу, определение переходных режимов минерализации водных масс в протоках дельты. В числе задач ставилась фиксация воды разной природы, при максимальных верховках и низовках (ветер более 10 м/сек). В некоторых протоках, изолированных от судоходного канала, производился поиск подземных вод. В условиях трансформации термохалинной структуры вод в авандельте и Таганрогском взморье изучались погодные условия, при которых в одних случаях доминируют местные подземные воды, в других – черноморские воды.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

В основу работы положены целенаправленные исследования по отбору проб воды при разных погодных режимах и уровнях в дельте и взморье (табл. 1). Основной эксперимент охватывал период с 20 ноября 2020 г. по 18 марта 2021 г. Вода для гидрохимических анализов отбиралась при максимальных сгонах и нагонах воды, в отдельных случаях – послойно. Одновременно отбиралась вода из магистрального водопровода в г. Азов для выяснения ее природы (грунтовые, речные или морские), их зависимость от сгонно-нагонных режимов.

Набор регистраторов среды включает измеритель течений AANDERAA RCM 9 LW, океанографические зонды (SBE-19, SBE-19 + V2, CTD-90) и датчики электропроводности СОЛИС СЛ15-10Т. Дискретность измерений датчиков составляет 10 минут. В итоге за восемь лет в базе данных накоплено более 280 тысяч измерений. Соленость рассчитывалась с помощью шкалы практической солености PSS-78. Во время двух-трехнедельных восточных ветров, когда взморье (“куты”) осушается на многие километры от берега, а обмелевшая авандельта сливается с плавнями вдоль островов, с квадрокоптеров DJI Phantom 3 Pro производились фотосъемка и фиксация состояния среды.

Фиксация материала производилась при обычных условиях, экстремальных колебаниях уровня моря, при резком возрастании в водном балансе доли подземных вод подо льдом, на обмелевшем взморье, в протоках при сгонах. В 2020 г. на посту в Донском начались измерения солености непосредственно в русле р. Дон, которое в меньшей степени зависит от подземного стока. Таким образом, на гидрометеопостах в Кагальнике, Донском и др. получены термохалинные характеристики вод в режиме реального времени (рис. 1).

Полученные данные дали основание подразделить трансформированные воды в эстуарной зоне Азово-Донского бассейна.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Водосборный бассейн Дона и малых рек Приазовья формируется в условиях континентального климата на территории сухих степей и, отчасти, умеренной зоны. Кроме различий в количестве солей (грамм/литр или промилле) воды аридной зоны отличаются разнообразием типов по химическому составу. Водные массы Азово-Донского бассейна по уровню солености (минерализации) делятся следующим образом: вблизи донского взморья – слабосолоноватые (2–4‰), в центральной части – солоноватые (4–8‰) и далее до кос Долгая и Белосарайская – высокосолоноватые (8–13‰). В химическом составе преобладают хлоридные соединения (до 89%) [3–6]. Указанная схема солевой структуры вод (минерализации) на акватории характерна для безветренной погоды в Азовском море. По происхождению перечисленные воды включают морские, речные и грунтовые (подземные).

Морская вода Таганрогского залива относится к хлоридно-натриевой группе [7]. На практике соленость морской воды рассчитывается по иону хлора. В ХХ веке, т.е. в прошлую климатическую эпоху, в течение большей части года дельта и залив до Очаковской косы заполнялись естественной пресной (0.5–0.9‰) водой [8, 9]. В XXI веке в обстановке сильных и умеренных (10–20 м/с) юго-западных ветров характерно наличие слабосолоноватых (2–4‰) азовоморских вод. По мере развития нагонного течения (0.5–3 сут) в сторону дельты клином направлена адвекция соленых черноморских вод [10]. Такие ситуации в резкой форме возникали, например, в октябре 2016 г., когда сбросы воды через гидроузел составляли всего 180 м³/с при нормальных расходах 350–400 м³/с. В результате речной сток Дона стал неспособен постоянно создавать естественный гидрофронт пресных вод в Таганрогском заливе.

Морская черноморская вода в условиях экстремальных низовок на взморье имеет общую минерализацию от 3 до 6–8‰ и более (табл. 1). Основные ионы содержат Cl на уровне от 1–1.6 до 3–4 г/л и Na⁺ + K⁺ от 0.7–1 до 2.5 г/л. В общих чертах по количественному содержанию ионы морской воды находятся в следующем порядке Cl^– > SO$_{4}^{{2 - }}$ > HCO$_{3}^{ - }$ + CO$_{3}^{{2 - }}$; Na⁺ + K⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺, а в речной карбонатной воде порядок противоположный.

С начала XXI века в условиях маловодья все чаще стали возникать ранее не отмечавшиеся явления стремительных адвекций черноморских водных масс. В течение каждого из последних лет многократно происходило заполнение дельты Дона типично черноморскими водами с соленостью до 10‰ (рис. 1). Одновременно из внешней части Таганрогского залива гидрохимический барьер с градиентом солености порядка 5–6‰ смещался на 20–40 км вверх по дельте Дона. Такого рода галоклин разделяет ореолы обитания пресноводной и морской фауны [11].

В период самых влажных лет прошлого столетия, в частности 1941–1942 гг., максимальные расходы воды в районе станицы Раздорской достигали 7–9 тыс. м³/с [12]. Естественный сток Дона достигал 52 км³. При этом в период пуска Цимлянской ГЭС в 1952 г. средние минимальные расходы воды были 335 м³/с, а максимальные – 1200 м³/с. Минимально гарантированный судоходный попуск – 340 м³/с.

После зарегулирования Дона Цимлянской плотиной годовой сток воды объемом в 30 км³ являлся оптимальным для азовоморской экосистемы. Однако при наступившем после 2007 г. маловодье, речной сток сократился примерно в 3 раза (до 11–16 км³). Минимальные расходы воды (280 м³/с в створе гидропоста “Раздорская”, 18 ноября 2020 г.) стали нормой в течение года. Такое сокращение стока привело к затоку в Таганрогский залив из Черного моря вод соленостью 17‰ и объемами порядка 20 км³ (рис. 1).

Речная вода, исходя из новейших исследований [1, 2], подразделяется на питьевую (0.4–1‰) и пресную (речную) воду (0.4–2‰). Ранее (до зарегулирования) донская вода в районе между Азовом и Багаевской соответствовала кальциево-гидрокарбонатной группе [13, 14]. Сейчас среднегодовая минерализация воды в створе г. Ростова-на-Дону составляет 0.7–1 г/л и имеет натриево-сульфатный состав [3, 4] (табл. 1). В результате маловодья рукава, протоки и взморье длительное время заполняются водой с соленостью 1.0–4.0‰ и до 5.0‰ и более. Нередко наблюдается двухслойная стратификация с более соленой (3.0–5.0‰) придонной водой. В результате воды гирл в течение года, в основном, относятся к сульфатному классу натриевой группы.

Согласно новым данным (табл. 1) в протоках дельты Дона гидрохимические показатели, в частности ионного состава воды, представляются следующим образом: речная вода при общей минерализации от 0.5–1.0 до 2.0 г/л содержит SO$_{4}^{{2 - }}$ от 100–300 до 615 мг/л, а Nа⁺ + K⁺ – от 180 до 260–470 мг/л. Подземная (грунтовая) вода при общей минерализации от 2.8 до 6 г/л включает SO$_{4}^{{2 - }}$ порядка 1–2 г/л и Nа⁺ + K⁺ на уровне 0.5–3.3 г/л (табл. 1).

Экспедиционные наблюдения нис “Профессор Панов” в октябре 2020 г. показали, что общая минерализация вод Северского Донца составила 1.25–1.35 г/л, в устье реки Маныч – 1.96 г/л, в устье р. Сал – 2.27 г/л, в реке Аксай 1.19 г/л. Содержание ионов Cl^–, в пробах, достигло 0.17–0.37 г/л и Na⁺ + K⁺ от 0.24–0.45 г/л. На долю подобного рода приток приходится 30–35% суммарного стока реки Дон. Минерализация Дона, согласно измерениям, увеличивается с 0.61 г/л, выше впадения реки Северский Донец, до 0.85–0.92 г/л, ниже по течению реки Маныч, т.е. в 1.3–1.5 раза. Содержание ионов Cl^– увеличивается в 1.6 раза, ионов Na⁺ + K⁺ в 1.8 раза.

При восточных ветрах (экстремальных верховках) эволюция вод имеет следующий порядок: пресная → грунтовая (подземная) → черноморская (рис. 2). Существует в отдельных случаях стратификация: питьевая (0.4–1.0‰) на поверхности и пресная (речная) (1.0–2.0‰) у дна. Солоноватая вода (4.0–2.0‰) как тип ранее на взморье и авандельте не отмечалась. Своим происхождением вода с таким составом прежде всего обязана черноморской адвекции при крайне ограниченном донском стоке [1].

Рис. 1.

Изменение питания и ионного состава дельты Дона при разном уровне воды.

Рис. 2.

Новые типы стратификации солености в дельте Дона.

В условиях западных ветров, в т.ч. экстремальных низовок преобразование водных масс происходит по цепи последовательных гидрологических стадий. Пресная (речная) вода замещается перемешанной черноморской и речной водой, и затем – морской (до 10‰). У морского края дельты штормовые (до 20–30 м/с) юго-западные ветры приводят к подъему уровня воды на 3–4 м. В ситуации обратной низовки (“черноморки”) после длительного сгона воды возникают самые опасные разрушительные нагоны (март 2013 г., сентябрь 2014 г.) [10]. Только ураганный юго-юго-западный ветер вдоль края взморья создает подпор донскому стоку, и в считанные (2–3) часы приморская зона донской дельты заливается.

На исследуемой территории наблюдаются грунтовые воды двух видов: одни просачиваются из осадочных пластов коренного берега (рис. 1), а другие текут от возвышающихся при верховках островов собственно дельты. Таким образом, во время сгонов аномально повышается доля минерализованного подземного стока. Результаты анализа воды из скважины на правом невысоком (10 м) берегу протоки Сухой Кагальник показали содержание анионов (г/л): гидрокарбонатов HCO$_{3}^{ - }$ – 0.18, хлоридов Cl^– – 1.39, сульфатов SO$_{4}^{{2 - }}$ – 0.02, содержание катионов: Ca²⁺ + Mg²⁺– 1.29, Na⁺ + K⁺ – 2.5, сухой остаток (сумма солей) – 5.39 (табл. 1).

Для подземных вод характерны высокое содержание хлоридов и доминирование сульфатов среди анионов, высокие концентрации кальция среди катионов (рис. 3). Ионный состав грунтовых вод существенно зависит от водоносного горизонта и состава дренируемых пород. Так, в водах из скважины в пос. Займо-Обрыв, расположенного в 7 км от пос. Кагальник, доминируют сульфаты, катионы натрия и калия [2] (табл. 1).

Рис. 3.

Треугольники ионного состава в Азовском море, протоках и скважинах дельты Дона.

На участке водосбора Нижнего Дона, находящегося в пределах Раздорских склонов, источником поступления хлоридно-натриевых соединений является разгрузка подземных вод. Так, отобранная в экспедиции ЮНЦ проба воды из термального источника в районе х. Мелиховский имеет общую минерализацию 56.2 г/л, с содержанием ионов Cl^– – 30.1 г/л, ионов Na⁺ + K⁺ – 19.1 г/л. Дебит данного источника подземных вод составляет 20 л/с.

Во время сильных сгонов и снижения уровня воды на 2 м гирло Свиное отделяется от Дона мелководным порогом. Этот порог намывается при дноуглублении в судоходном канале. При экстремальных сгонах порог мелеет и водообмен между Доном и Свиным гирлом практически прекращается. В результате важный водоток, длина которого 1.2 км, превращается в изолированную мелкую (глубина дна 30–50 см) лагуну (рис. 1).

Географические особенности гирла Свиное, на котором с ноября 2020 г. по середину марта 2021 г. были сфокусированы наблюдения, имеют следующие геоморфологические черты: протоки р. Кагальник – Сухой Кагальник и Мокрый Кагальник и Азово-Донской морской канал, по которому проходит основной сток р. Дон, соединены между собой Свиным гирлом. Левый берег (по ходу течения Дона) является коренным обрывом (суглинки) высотой 14–17 м. Во время верховки Свиное, как и большинство других рукавов авандельты, фактически изолированы от Азовского моря и судоходного канала. Взморье на 5–12 км осушается.

В целом, будучи отрезанными от основного русла Дона, южные протоки (Сунжа, Свиное) дельты Дона заполняются подземным стоком р. Кагальник. Наблюдения в 2020 г. показали, что общее ухудшение водобмена между Доном и Свиным гирлом, дальнейшее заиление перешейка между ними ведут к практически постоянному присутствию в Свином гирле минерализованных вод. В условиях маловодья такая гидрохимия вод стала возникать и в летний сезон, что раньше не наблюдалось. Пробы воды, отобранные 20 ноября 2020 г. (минерализация 4 г/л) и 6 декабря 2020 г. (минерализация 6 г/л), имеют одинаковый ионный состав: 12–14% HCO$_{3}^{{2 - }}$, 23–27% Cl^– и 60–65% SO$_{4}^{{2 - }}$, 18–20% Ca²⁺, 14–16% Mg²⁺ и 64–68% Na⁺ + + K⁺, т.е. являются натриево-сульфатными. Описанный состав полностью совпадает с составом вод, отобранных в 2018 г. в протоках Сухой и Мокрый Кагальник (табл. 1).

Три основных катиона и три основных аниона расставлены в виде треугольной диаграммы (рис. 3). Треугольник ионного состава показывает процентное соотношение ионов, но не свидетельствует об общей минерализации. Диаграмма показывает разницу между морской, речной, подземной водой, которая периодически заполняла Свиное гирло в начале декабря 2020 г.

Анализ термохалинных закономерностей при экстремальных по продолжительности и величине сгона воды верховок позволяет представить процесс осолонения следующим образом. В осенне-зимний период в условиях восточных ветров, продолжительностью до 2–4 нед и со скоростью более 6–10 м/сек, прекращается водообмен с Азовским морем и судоходным каналом р. Дон. Река Кагальник превращается в узкий ручей.

Процесс минерализации и преобразования речных пресных водных масс в солоноватые воды происходит в 2 этапа. В первые дни сгона наблюдается двухслойная структура: тип I – пресная (0.6–1.5‰) вода в верхней части, внизу слабосоленая (2–4‰). Тонкий верхний слой воды 10–15 см имеет соленость 0.6–1.3‰ в течение 1–2 дней. Соленость нижнего слоя воды (30–40 см) нарастает до 6–9‰ (осолоненная). Такой характер стратификации держится до 1–2 сут; II тип – соленость воды в г. Свином сверху донизу становится однородной. В условиях самых сильных сгонов до глубин и обмеления в гирлах 0.4–0.6 м вся толща воды становится солоноватой (до 6–8.5‰). Свиное гирло практически целиком заполняется минерализованными водами подземного стока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ новых данных по гидрохимии водных масс Таганрогского залива и дельты Дона с учетом известной природной климатической изменчивости обнаруживает современные физико-географические тенденции в эстуарном водоеме в условиях маловодья. Для Приазовья и Нижнего Дона типичными являются кратковременные (2–3 года и 7 лет) и внутривековые (1933–1944, 2008–2020 гг.) периоды маловодья, засух, пыльных бурь [15]. Исключением в ряду маловодных лет стала весна 2018 г.

Не исключено, что при возможном экстраординарном уменьшении стока Дона соленые морские воды могут распространяться намного выше г. Азова и даже г. Ростова-на-Дону. Сложившаяся в настоящий период обстановка приводит к периодическому (во время сильных “низовок”) заполнению водопровода в г. Азове, Таганроге, Ростове-на-Дону и других населенных пунктах солоноватой (4–8‰) водой. В отдельных случаях, как например 14 февраля 2021 г., зафиксирована высокосолоноватая (8–10‰) вода (рис. 1).

В период длительного действия сгонного явления повышается роль стока небольших речек, у которых водосборный участок находится в пределах коренного берега. Источниками питания таких речек в основном являются разгрузки высокоминерализованных подземных (грунтовых) вод. Для подтверждения данной гипотезы требуется проведение дополнительных отборов вод в таких речках на протяжении действия сгонного ветра. Для северного коренного берега к таким речкам относятся Донской Чулек, Мокрый Чалтырь. С южного берега – это реки Кагальник (Сухой и Мокрый), протока Сунжа и Узяк с многочисленными ручьями, стекающими с коренного берега. Такого рода гидрохимические эпизоды, имевшие место на взморье в 2017–2020 гг. на протяжении 10–17 дней, требуют специального изучения.