Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 2, стр. 199-206

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОДЫ В ИСТОКЕ АНГАРЫ

Исследование годовых температур поверхностной воды в истоке Ангары [10] показало закономерность изменения в 1960‒2016 гг. с постепенным увеличением от 0.5 до 1.5 градусов (рис. 2) и образованием положительного температурного цикла. В 2014‒2016 гг. уровень воды в Байкале соответствовал экстремально низким условиям водности. По данным Росгидромета за период весеннего половодья приток воды в оз. Байкал был минимальным за эти годы [11]. Отмечались высокие температуры воздуха, воды выше 8°C в истоке Ангары, отсутствие или низкое количество атмосферных осадков, частые пожары вокруг Байкала. На реках, впадающих в Байкал, наблюдалась низкая межень.

Рис. 2.

Средняя годовая температура поверхности воды в 1960‒2016 гг. в истоке Ангары (тонкие линии) и ее пятилетнее скользящее среднее значение (жирные линии) [10] и среднегодовые значения состава воды (TDS, Cl^–, SO$_{4}^{{2 - }}$) истока р. Ангары в 1950‒2020 гг. (по авторским и литературным данным [8, 11]).

В 2017‒2020 гг. средняя годовая температура воды истока Ангары по нашим данным понизилась до 4‒5°С, уровень Байкала повысился, отмечались подтопления в его береговой зоне, во многих притоках и реке Ангаре. Уменьшение температуры воды в истоке может быть обусловлено подъемом более холодной глубинной воды Байкала во время частых землетрясений в последние годы.

МАКРОКОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

Данные по макрокомпонентному составу, полученные в последние годы, подтверждают низкую TDS и бикарбонатно-кальциевый состав воды Байкала и истока Ангары (рис. 2). Средняя TDS воды истока в 2017 г. составляла 94.61 (86.7‒98.96), в 2018 г. – 95.59 (91.04‒101.7) мг/л и в 2019 г. – 95.64 (92‒97.9) мг/л. В 2020 г. произошло заметное снижение TDS – 91.25 (76.5‒101.4) мг/л. Ранее такая низкая TDS в воде истока Ангары отмечалась в 1952 г. Одновременно в последние годы заметно уменьшилось значение SO$_{4}^{{2 - }}$, HCO$_{3}^{ - }$, незначительно увеличились концентрации хлорид-иона. Следует отметить, что в 1952‒1956 гг. проходило строительство Иркутской ГЭС на р. Ангаре в 65 км от ее истока (район г. Иркутска), понизился уровень Байкала, отмечалось одновременно уменьшение TDS, сульфат- и гидрокарбонат ионов.

Циклично-волновое изменение TDS воды в Ангаре с постепенным незначительным нарастанием значений отмечалось с 1950 г. до 2016 г. (рис. 2). Эти данные коррелируют с температурными циклами изменения воды и с последовательным увеличением среднегодовых температур [10]. Общая средняя годовая TDS воды истока фиксирует длительный восходящий природный цикл изменений с 1950 до 2017 г. (рис. 2).

В 2017 г. заканчивается положительная направленность циклично-волнового распределения концентраций макрокомпонентов в воде, начинается снижение концентраций главных ионов и TDS. Эти тренды также имеет циклично-волновой характер, когда имеются годовые сезонные изменения, соответствующие времени года (рис. 2), минерализация уменьшается в летнее время и увеличивается в холодное время года. Если предыдущие годы (2017–2018 гг.) в Прибайкалье еще были относительно засушливые и пожароопасные, то в 2019‒2020 гг. на реках в Байкальской экосистеме отмечались серьезные наводнения и подтопления, однако катастрофических изменений в химическом составе воды истока и Байкала не отмечалось.

Анализ информации по изменению концентраций ионов и TDS в воде Ангары за последние 70 и 24 года (рис. 2) показал, что годовые циклы изменчивости могут длиться более 10 лет, чем предполагалось ранее [8]. В дополнение к длительным циклам могут происходить ежемесячные волновые (сезонные) изменения минерализации воды, обусловленные какими-либо кратковременными природными явлениями (катаклизмами). В целом низкая минерализация (76‒110 мг/л, в среднем примерно на уровне 100 мг/л) воды истока Ангары сохраняется уже 70 лет – 1950‒2020 гг. Заметные изменения, т.е. понижение минерализации, или новый геохимический цикл, наметился с 2017 г., что также может являться результатом влияния различных факторов, в первую очередь климатических и гидродинамических.

Концентрации азотсодержащих ионов в поверхностных водах истока подвержены заметным сезонным колебаниям: они минимальны в вегетационный период с ростом фитопланктона и, как правило, содержания их начинают расти осенью и достигают максимумов зимой. Начиная с 2018 г., содержания NO$_{2}^{ - }$, NO$_{3}^{ - }$, NH$_{4}^{ + }$ заметно повышались летом и осенью в истоке Ангары. Это коррелируется с увеличением числа туристов и интенсивным сбросом сточных вод с туристических баз и гостиниц в юго-западной части Байкала (пос. Листвянка). В 2020 г. содержания азотсодержащих компонентов заметно уменьшились из-за меньших сбросов сточных вод в период пандемии.

В последние годы, на фоне снижения значений TDS и главных ионов, отмечается незначительное повышение концентраций хлор- и фтор-ионов в воде истока. Повышение их содержаний обнаруживается весной, когда оз. Байкал освобождалось от снега и льда, и эта тающая масса поступала в исток Ангары. Возможно, что сказывается и антропогенное влияние на воду истока огромного количества туристов в последние годы.

В воде Байкала и Ангары много кислорода (8‒14, реже до 19 мг/л), что делает воду вкусной и приятной для употребления. Повышенные содержания кислорода (>12 мг/л) в воде истока были отмечены в течение 2018 г. Обычно его содержание уменьшается в летнее время в связи с бурным развитием фито- и зоопланктона.

Полученные среднегодовые данные по макроэлементному составу воды истока Ангары в 1950‒2020 гг. ниже предельно допустимых концентраций не только питьевой воды [12], но и воды рыбохозяйственных водоемов. Последние химические данные по воде истока Ангары и Байкала (рис. 3) близки между собой. Это означает, что, в целом, воды Ангары и Байкала сохраняют свою чистоту, что крайне важно как для человека, так и для биоты.

Рис. 3.

Распределение ионов и минерализации в воде Байкальской экосистемы: минимальное‒максимальное (заштриховано) содержание в поверхностной и глубинной воде Байкала в 2011‒2020 гг. и среднее содержание компонентов в воде истока Ангары в 2017‒2020 гг.

МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

Содержание микроэлементов в воде Байкала и Ангары в целом довольно низкое. Концентрации многих микроэлементов (например, Be, Sn, Sb, Co, Pb, некоторые РЗЭ и др.) часто бывают ниже предела обнаружения метода IСP‒MS. Резкие повышения содержаний элементов из этой группы не всегда удается объяснить. Конечно, есть природные факторы, которые уже отмечались, – поступление элементов из вмещающих Байкал пород при их дренировании многочисленными притоками, влияние минеральных источников на берегах озера, таяние снегового покрова на Байкале, возрастающий туристический поток и др.

К микроэлементам, содержания которых могут часто повышаться в воде Байкала и истока Ангары более, чем в 10 раз, относятся Fe, Mn, Hg, Al, Be, Zn, Pb, Cd [6]. Различия в концентрациях остальных элементов менее контрастны (рис. 4). Рассмотрим возможные причины волатильности концентраций некоторых элементов.

Рис. 4.

Среднее годовое распределение значений микроэлементов в воде истока Ангары в 2006‒2020 гг. (вертикальный пунктир – отсутствие данных).

Породообразующие элементы (Si, K, Na, Sr, Ba и др.) могут выщелачиваться из коренных пород водосборного бассейна Байкала, имеющих разный состав (от основных до кислых). Дренаж пород, выщелачивание некоторых элементов и растворение их в воде лишь кратковременно обогащают воду литоральных частей Байкала, выравнивание их содержаний затем происходит по всему Байкалу за счет системы течений.

Резкие повышения содержаний Fe и Mn в воде истока Ангары и Байкала (рис. 4) можно объяснить наличием в донных осадках Байкала большого количества железомарганцевых конкреций, содержащих минералы-спутники с повышенными концентрациями Zn, Ni, Co, Cu. Эти минералы могут растворяться в восстановленных осадках вблизи редокс-границы [13] и обогащать не только поровые воды, но и воду Байкала, а затем соответственно воду истока Ангары. Такие процессы могут быть мобилизованы при геодинамических подвижках и землетрясениях, штормах и других аномальных природных процессах на Байкале.

Содержания Be в воде Байкала и истока довольно низкие, но в воде литорали в северо-западной части Байкала и в устье его притока р. Рель концентрации бериллия иногда бывают значительно повышены. Здесь также увеличивается сумма редкоземельных элементов, фтора и тория. Река Рель дренирует массив гранитов [1, 2], которые могут быть источником поступления перечисленных элементов в воду при их разрушении и выщелачивании.

Другим примером влияния вмещающих коренных пород на воду Байкала и истока являются относительно повышенные концентрации в воде урана в некоторых притоках Байкала и в его литоральной зоне. В притоках в районе г. Слюдянка, побережья Тажеранской степи и на острове Ольхон в породах было подтверждено нахождение урансодержащего минерала – менделеевита [14].

Стоит учитывать воздействие на воду Байкала и истока Ангары имеющихся вокруг Байкала холодных и горячих источников с повышенными содержаниями некоторых ионов и микроэлементов, влияние которых рассматривается как природное загрязнение воды Байкала [1]. Такие источники имеют значительно более высокие концентрации SO$_{4}^{{2 - }}$, Cl^–, F^–, Na и Si, чем в озерной воде, а также в десятки раз больше обогащены Li, Rb, Cs, Ga, As, W. Высокие концентрации Co, Ni, Zn и Cd предполагают наличие в районах их нахождения на глубине сульфидной минерализации и ее дренаж термальными водами.

Ранее П.В. Коваль и соавт. [15] отмечали кратковременное экстремальное повышение концентраций Hg в воде Ангары во время землетрясений, превышающее предельно допустимую концентрацию рыбохозяйственных водоемов, которое назвали “ртутным дыханием Байкала”. Такое явление относится к разряду природных катаклизмов и было подтверждено позднее нашими исследованиями [6, 16].

Вероятны природно-антропогенные причины изменения концентраций микроэлементов. В частности, это использование местным населением угля Иркутского угольного бассейна, содержащего повышенные концентрации Pb, Zn, Cu, U, Hg и других токсичных элементов [17]. После сгорания угля эти элементы с продуктами сгорания выпадают на снеговой покров озера, а при таянии снега поступают в воду Байкала и истока Ангары. Другими причинами могут быть автотранспорт и нарастающий туристический поток. Предполагается влияние ближайших промышленных предприятий (алюминиевый завод в 50 км – г. Шелехов и многочисленные предприятия в г. Улан-Удэ и на берегах р. Селенги) за счет атмосферного переноса токсикантов (рис. 4, 5). Средние содержания Ni, Zn, а также Fe, Y, Cd, Co в воде истока бывают иногда существенно выше, чем в воде Байкала. На воду Ангары оказывает негативное влияние ближайший к истоку туристический пос. Листвянка [18].

Рис. 5.

Распределение микроэлементов в воде Байкала в 2011‒2020 гг. (заштрихованная область – минимальное–максимальное содержание) и среднее содержание в воде истока Ангары в 2017‒2020 гг. (пунктир).

Установленные особенности распределения макро- и микроэлементов в воде Байкальской экосистемы свидетельствуют о существовании временных (волновых, сезонных) и долговременных (цикличных, годовых) изменений состава воды истока Ангары. Такое распределение элементов в истоке Ангары указывает на формирование протяженных межгодовых циклов, внутри которых отмечаются менее протяженные волны концентраций (минимум‒максимум‒минимум), т.е. существуют временные ряды волновой динамики в показателях химического состава воды – повторение данных. По макрокомпонентам в воде истока довольно отчетливо проявляется фрактальность (самоподобие) в период исследований. При этом сохраняются средние значения ионов, с одной стороны, и отмечается постепенное уменьшение или увеличение содержаний элементов в динамике со временем. Исследователи называют такое явление эффектом памяти [19], наблюдаемым во временных рядах, что представляется следствием упорядоченной регулярности, которая частично проявляется в наличии водно-экологической фрактальности (самоподобные циклы).

Большую роль в изменении состава воды имеет гидродинамическая структура водного потока, что определяется различными препятствиями на его пути (например, каким-либо природным – геохимическим или природно-техногенным барьером). Ю.Д. Чашечкин, О.М. Розенталь [20] экспериментально показали влияние на изменение концентрации элемента в воде потока после преодоления какого-либо препятствия. В данном случае таким препятствием является уступ в береговой части Байкала глубиной до 400 м, откуда вода поступает в исток Ангары. Точно также могут влиять на химический состав воды Байкала и истока, впадающие боковые притоки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что происходящие изменения в концентрациях элементов в воде истока Ангары могут быть обусловлены сезонными и годовыми климатическими изменениями и гидродинамическими особенностями.

Волновое распределение макроэлементов четко отражает сезоны года, а циклически-волновое распределение представляет характеристику годовых изменений, отражает гидрологический режим водного объекта – засуху, потепление, пожары, ураганы, шторма или серьезные наводнения и подтопления в береговой зоне. Соответственно имеется или положительный цикл на протяжении засушливых лет, или отрицательный при похолодании и подтоплениях, либо близкие значения элементов при нормальном гидрологическом режиме.

Распределение микроэлементов в воде Байкала и истока Ангары в большей степени зависит от состава вмещающих пород, разрушения на дне Байкала Fe‒Mn-конкреций, частых землетрясений и поступлений ртути, подъема глубинных вод и опускания загрязненных литоральных вод, влияния промышленных объектов, туристического бизнеса и т.д.

Установленный циклически-волновой характер изменения химического состава р. Ангары – стока оз. Байкал, указывает на наличие эффекта долговременной памяти во временных рядах химических элементов. Эффект заключается в том, что текущие значения контролируемых элементов в воде истока зависят и от их прошлых значений, но могут резко изменяться при нарушениях в экосистеме Байкала, обусловленных природными и антропогенными катаклизмами. Однако за счет процессов самоочищения в байкальской воде первоначальное состояние водной системы способно быстро восстанавливаться, достигая прежних (средних) значений химических параметров или образуя самоподобные циклы, проявляющиеся во временной динамике.

Сравнительный анализ химического состава водной экосистемы Байкала, в которую входят поверхностная, глубинная вода Байкала, а также вода истока реки Ангары, указывает на отчетливую сопряженность их составов и общее происхождение. Полученные за последние годы значения по среднему составу воды Байкала и истока Ангары не превышают предельно допустимых концентраций для питьевых вод и воды рыбохозяйственных водоемов. Необходимо дальнейшее изучение уникального процесса самоочищения воды в Байкале, чтобы понять происходящие в нем изменения во времени.