Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 320-331

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Работа основывается на целенаправленном изучении химического состава воды при разных режимах и уровнях моря на Таганрогском взморье залива и дельты Дона. Эксперимент охватывает период с 02.12.2022 г. по 30.01.2023 г. и отдельные измерения, для сравнения, 21.02; 30.03; 17.04.2023 г. Работы в основном произведены в зимний период в обстановке типичных для этого сезона сильных сгонов донской воды в Азовское море. Эксперимент был направлен на выявление, в реальном режиме времени, химических преобразований в водной среде южной части дельты Дона.

В качестве реперной точки, для которой накоплено больше всего наблюдений, выбраны причалы на БНЭБ “Кагальник” в Свином гирле (рис. 1). Важно подчеркнуть, что пробы воды одномоментно отбирались в шести–семи точках на юге дельты: в гирле Свиное, протоках Сунжа, Кривое, Кагальник, Сухой Кагальник и Мокрый Кагальник, в нескольких ериках и Азово-Донском судоходном канале, по которому проходит основной сток р. Дон. Во время двух–трех-недельных восточных ветров, когда взморье осушается на многие километры от берега, а обмелевшая авандельта сливается с плавнями вдоль островов, на дне осушаются родники. Наглядная динамика уровня воды в реке, минерализация и ионный состав представлены в табл. 1. Всего было отобрано порядка 40 проб (рис. 4).

Рис. 4.

Аридизация бассейна Дона в XX–XXI вв.

Образцы отбирались при разном уровне воды, от минимального (31 см уровнемерной рейки), до максимального, во время сильного нагона (247 см рейки). Перепад уровня составил 216 см. 12 января пробы отбирались из-подо льда, в условиях подъема уровня воды при низовке. Минерализация вод измерена лабораторным методом.

Ранее уже отмечалось [4, 5], что 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 работ, что и сделано в новом исследовании.

Для определения местоположения водовода “Дугино–Донбасс”, его топографических особенностей на взморье, были использованы спутниковые снимки Sentinel 2 за март и апрель 2023 г. (пространственное разрешение 10 м). Водовод проходит в сторону Танаиса, в 3–5 км от береговой линии авандельты. От точки закачки воды у Дугино до мониторингового полигона на южном крае дельты 15–20 км (рис. 3). Оцифровку траектории водовода на космоснимках провели И.В. Шевердяев и В.В. Кулыгин.

В сборе гидрологического материала и в аналитических работах участвовали М.М. Чеха, к.г.н. А.В. Клещенков, Е.Г. Алешина. В гидрохимической лаборатории ЮНЦ РАН проведен анализ содержания кислорода, биогенных элементов, ионного состава, растительных пигментов, органического вещества. В работе учтены анализы проб, собранных специалистами в прошлые годы.

В сеть постов Южного научного центра РАН входят восемь автоматических гидрометеорологических комплексов, расположенных на разных участках устьевой области Дона, а также в бассейне р. Западный Маныч. Посты оборудованы метеостанциями М–49М, лазерными уровнемерами и датчиками электропроводности Солис СЛ15–10Т. Дискретность измерений 10 мин. На сегодняшний день в базу данных входит более 400 тысяч измерений гидрологического режима дельты Дона.

ВНУТРИВЕКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ ВОДНОСТИ. ВОДОЗАБОР

В результате анализа гидрометеорологических данных (1884–2020 гг.) выявлены внутривековые изменения климата и водности в Приазовье. Исследуемый период можно подразделить на три этапа: холодный (многоводный, 1884–1942 гг.), переходный (1942–1985 гг.) и теплый (маловодный, 1986–2020 гг.) [3]. Существует общее понимание изменчивости притока речных вод в Азовском море [2, 6, 7].

Суммарный естественный сток рек, впадающих в Азовское море, оценивался до 43.5 км³/год, в том числе р. Дон в створе станица Раздорская – 27.9 км³/год, р. Кубань в створе г. Краснодар – 13.5 км³/год, малые реки восточного и северного Приазовья – 2.1 км³/год [8]. Наиболее многоводным был 1963 г. (52.8 км³). В то же время четырежды (1969, 1972, 1973, 1975 гг.) суммарный годовой сток рек Дон и Кубань почти достигал естественного минимума (соответственно 21.4; 21.9; 22.1; 21.9 км³), равного 20.7 км³.

Объемы же всего Азовского моря (323 км³), соответственно, в 10 и 9 раз превышают суммарную величину годового притока донских и кубанских вод. Общий сток рек Дон и Кубань в условно естественный период в среднем составлял около 40 км³/год при колебаниях в отдельные годы от 21.9 (1935 г.) до 67.7 км³ (1915 г.) и коэффициенте вариации 0.29 [7, 9, 10]. Годовое поступление в Азовское море донских и кубанских вод в среднем составило 30.5 км³ при межгодовых колебаниях от 23.1 (1984 г.) до 35.4 км³ (1988 г.). К 1975 г. антропогенное снижение притока речных вод в Азовское море составило 10 км³/год, или 23% нормы, а к 1985 г. – уже около 12–14 км³/год, или 33% нормы.

Дон относится к рекам с преимущественно снеговым питанием (снеговое – 67%, подземное – 30%, дождевое – 3%). После зарегулирования в 37 случаях (78.7%) весенний сток был маловодным [8]. Впоследствии 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) [1].

Современное маловодье не единственное в гидрологической истории бассейна Дона (рис. 3). В изменениях естественного суммарного годового стока рек Дон и Кубань прослеживаются циклы: типичные – кратковременные (2–3 года и 7 лет) и внутривековые (1933–1944, 2008–2020 гг.) маловодные периоды. В период самых влажных лет прошлого столетия, в частности 1941–1942 гг., максимальные расходы воды в Дону в районе ст. Раздорской достигали 7–9 тыс. м³/с., а сток Дона составлял 52 км³. 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. По данным Донского бассейнового водного управления в 2020–2022 гг. сброс воды через Цимлянский гидроузел колебался в следующих характерных пределах: 150–205 м³/с; 180–255 м³/с; 200–280 м³/с. Затопление нижнедонской поймы отмечалось лишь в 1963, 1979, 1981 и 1994 г. Весенний сток по объему в основном отвечал экологическим особенностям воспроизводства полупроходных и проходных рыб.

В 1969 г. весна оказалась впервые катастрофически маловодной, а через 2 года последовало известное крупное неблагоприятное событие – маловодная пятилетка (1972–1976 гг.). Вновь маловодье повторилось в 1983 и особенно в 1984 г. [6, 8]. К маловодным отнесены 2009, 2011, 2014 и 2015 г. В 2015 г. объем половодья на Цимле не превышал величины 4 км³ (35% от нормы), а максимальный расход – 790 м³/с (т.е. четверть нормы).

Современное и потенциальное водопотребление можно представить следующим образом. Весенний сток, вследствие роста безвозвратных изъятий и сезонного регулирования Цимлянским водохранилищем, в среднем понизился до 8.0 км³, или в 2.4 раза, что лишь на 1.2 км³ превышает естественный минимальный сток.

Водопотребление Ростова-на-Дону в 2013 г. составило 0.2 км³/год, или около 500 тыс. м³ в сутки (планом развития города до 2025 г. предусмотрено увеличение до 0.3 км³/год) [11], водопотребление г. Азова и Таганрога – 0.03 км³/год (около 80 тыс. м³/сутки). Водозабор из рукава Мокрая Каланча является основным для города и расположен в районе х. Дугино. Новый донбасский водозабор в х. Дугино рассчитан на подачу 280–300 тыс. м³/сутки или более 0.1 км³/год. Для ориентира, в 1972–1976 гг. годовой и сезонный (март–май) сток р. Дон (станица Раздорская) составлял, соответственно, 12.3 и 3.4 км³ воды (рис. 5). Все вышеперечисленные потребители (без воды на мелиорацию) могут изымать до 0.5 км³/год [10, 12].

Рис. 5.

Изменения минерализации, уровня воды и индикаторных ионов в южных протоках дельты Дона со 2 декабря 2022 г. по 16 января 2023 г.

Следует отметить, что избыток воды от весеннего половодья может приводить к аварийным попускам воды из Цимлянского водохранилища. Среднесуточный объем сброса в р. Дон в 2018 г. составлял 10 апреля 345 м³/с, 28 апреля – 1503 м³/с, а к 6 мая увеличился до 1701 м³/с. Это привело в конце апреля–начале мая к формированию экстремальной волны половодья на Дону и затоплению авандельты. Одновременный сброс воды из Цимлянского водохранилища и нагон со стороны моря приводят к опасным наводнениям, как, например, в марте 2013 г. [15]. Рис. 6

Рис. 6.

Индикаторные ионы южных рукавов дельты Дона.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Подземные (грунтовые) воды. Как уже ранее отмечалось [4, 5], при экстремальных восточных ветрах (верховках) водообмен многих рукавов и протоков дельты с Доном и Таганрогским заливом прекращается.

В целом 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 [13].

Начальный период наблюдений, 2 декабря 2022 г., соответствовал стадии экстремальной верховки и глубине дна в реке 30–35 см, т.е. на 150 см ниже нормального уровня (рис. 3). В этих условиях обнажаются большие площади дна взморья Дона. Участки разгрузки верхних водоносных слоев берегов рек становятся различимы визуально. Для солоноватых вод грунтового типа (минерализация более 2–8 г/л) при таком уровне зафиксировано резкое преобладание сульфат-ионов среди группы анионов с содержанием: SO$_{4}^{{2 - }}$ – 2497.6 мг/л; Cl^– – 726.7 мг/л и 441.8 мг/л – НCO$_{3}^{ - }$. Среди катионов наибольшее содержание получено для натрия и калия (1043 мг/л). Содержание ионов Mg²⁺ и Ca²⁺ составило 265.1 и 344.7 мг/л соответственно. Такой же ионный состав имеют воды из скважин, пробуренных на берегах в бассейне р. Кагальник.

Пробы воды, отобранные 25 мая 2022 г., имеют минерализацию более 4 г/л. Состав натриево-сульфатный, характерный для грунтовых вод верхних горизонтов устья Дона.

В условиях частой нецикличной смены гидрологической обстановки и перепадов уровня воды от сильных нагонов к сильным сгонам водотоки наполняют солоноватые воды смешанного состава. Подземный сток разбавляется стекающей с островов морской водой. Максимальное содержание, в таких случаях, имеет ион Na⁺. Доля ионов Cl^– среди анионов может сравняться с ионами SO$_{4}^{{2 - }}$. Гидрокарбонат-ионов содержится сравнительно небольшое количество.

Вторая серия проб отобрана 7 декабря 2022 г. при уровне воды 78–80 см уровнемерной рейки. Воды отличались ярко выраженным натриево-сульфатным составом, процентное соотношение ионов аналогично предыдущему. Содержание ионов составило: SO$_{4}^{{2 - }}$ – 2689.7 мг/л; Cl^– – 744.5 мг/л; НCO$_{3}^{ - }$ – 458.9 мг/л; Na⁺+K⁺ – 1188 мг/л; Ca²⁺ – 336.7 мг/л; Mg²⁺ – 245.6 мг/л. Пробы воды, отобранные 20.11.2020 г. (минерализация 4 г/л) и 16.12.2020 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).

Морская вода относится к хлоридно-натриевой группе. В химическом составе преобладают хлоридные соединения (до 89%) [4, 5]. По мере развития нагонного течения (0.5–3 сут) в обстановке сильных и умеренных (10–20 м/с) юго-западных ветров в сторону дельты клином направлена адвекция соленых черноморских вод.

В период наблюдений имели место два кратковременных нагона воды (рис. 3). Сильная низовка 14 декабря привела к росту уровня воды до 236 см. В подобных условиях подпор соленых морских вод формируется в прорези Азово-Донского морского канала и протоке Старый Дон. Пресный сток при этом заполняет боковые рукава, в том числе, Свиное гирло, где производился отбор проб воды. Минерализация выросла незначительно, до 1.5 г/л, соотношение ионов, характерное для донских вод, не изменилось. Концентрации ионов составили SO$_{4}^{{2 - }}$ – 480.3 мг/л; Cl^– – 248.2 мг/л; НCO$_{3}^{ - }$ – 300.2 мг/л; Na⁺ + K⁺ – 298 мг/л; Ca²⁺ – 120.2 мг/л; Mg²⁺ – 48.6 мг/л. При понижении уровня воды до 180 см 31 декабря химический состав вод сохранился. До 1–1.2 г/л понизилась минерализация (рис. 3, табл. 1).

В начале января (02.01.2023) наблюдалась сильная низовка (247 см). В пробах, отобранных в этот день, влияния вод с морским типом минерализации не обнаружено. С понижением уровня в последующие дни (10–12 января) до 50–70 см рейки резко выросла доля сульфатов (до 2496.6 мг/л). При этом соленые морские воды, покрывшие острова дельты Дона при нагоне, стекали через мелкие ерики в основные рукава. Образовались солоноватые воды (содержание солей до 5.2 г/л) смешанного – грунтового и морского типов минерализации (рис. 3, табл.1). Характерной чертой таких вод является высокое содержание хлорид ионов (1666 мг/л в точках у коренного берега и 2375 мг/л в наиболее удаленной к морю протоке Кривое гирло). Концентрации остальных ионов, соответственно, равны: НCO$_{3}^{ - }$ – 512.6 мг/л; Na⁺ + + K⁺ – 1710 мг/л; Ca²⁺ – 328.7 мг/л; Mg²⁺ – 274.8 мг/л.

Речные (пресные) воды. С ослабеванием ветра нормализуются колебания уровня воды. Донской сток вытесняет морские и подземные воды. Минерализация понижается до 1 г/л. Растет содержание гидрокарбонатов в группе анионов. В отдельных случаях существует стратификация: питьевая (0.4–1‰) – на поверхности и пресная (речная) (1–2‰) – у дна [5]. В дельте Дона значительные запасы (объемы) пресной воды находятся в глубоких понижениях дна (до 15–20 м), в частности, Костина яма у пос. Дугино.

Серия измерений закрыта 16 января 2023 г. при уровне воды 180 см и донском типе минерализации (1.4 г/л). Воды имели следующий ионный состав: SO$_{4}^{{2 - }}$ – 441.9 мг/л; Cl^– – 191.4 мг/л; НCO$_{3}^{ - }$ – 300.2 мг/л; Na⁺ + K⁺ – 233.0 мг/л; Ca²⁺ – 148.3 мг/л; Mg²⁺ – 34.1 мг/л. (рис. 3).

Для речных вод Дона в настоящее время характерен натриево-гидрокарбонатный состав. Ранее, 20–30 лет назад, основным был кальциево-гидрокарбонатный состав [8, 14].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Дефицит пресной питьевой воды будет нарастать, и по мере возрастающего ее изъятия, ускоряться во времени. Будет происходить ее замещение (до 5–7‰) минерализованной грунтовой и черноморской водой. В каких их соотношениях в водопроводы будет закачиваться (перераспределяться по сезонам) слабосолоноватая (2–4 г/л) и солоноватая (4–8 г/л) водная масса, предстоит исследовать.

Настоящее исследование дополняет и уточняет ранее сделанные выводы о том, что маловодье – природный процесс, обусловленный внутривековой цикличностью климата – типичное явление для сухих степей [5]. Дефицит воды усилился нерациональным водопользованием. По опыту наблюдений за питьевой водой в Азове, Таганроге и Ростове-на-Дону можно предположить, что по донецкому водоводу Донбасс будет снабжаться солоноватой водой во время стояния экстремально низких или высоких уровней, часто наблюдаемых в дельте Дона.

В работе представлены новые результаты исследования изменений гидрохимического режима дельты Дона в условиях аридизации климата. Раскрыта динамика изменений характерных типов минерализации при быстрых перепадах уровня воды.

Максимальная минерализация вод составила 7 г/л (солоноватые воды) 11 января 2023 г. Анализ изменения типов минерализации проведен по данным в табл. 1. Всего выделено три типа ионного состава, характерного для протоки Свиное гирло. Морской – с доминированием (более 80%) ионов натрия, хлорид-ионов и минерализацией до 7–9 г/л. Донским водам соответствует низкая минерализация (менее 2 г/л), повышенная доля Na⁺ + K⁺ (50–60%), близкое количество SO$_{4}^{{2 - }}$ и НCO$_{3}^{ - }$ (по 30–40%). С 2018 г. регулярно, при понижении уровня, регистрируется присутствие вод грунтового типа. Это солоноватые воды с содержанием солей более 5 г/л. Для них типично высокое содержание натрия и калия (более 60%) и сульфат–ионов (60–80%). При частых перепадах уровня воды могут возникать смеси вод разного происхождения: морской и грунтовой, грунтовой и речной или смесь всех типов вод. Такие комбинации отличаются друг от друга своеобразным содержанием того или иного индикаторного иона и минерализацией.

Для Нижнего Дона характерно сложное сочетание вод с разным химическим составом. Воды Цимлянского водохранилища максимально распреснены. Крупные притоки, такие как Северский Донец, слабосолоноватые Сал и Маныч ощутимо увеличивают минерализацию донских вод. В полноводные годы такое влияние было незаметно. Аномальное маловодье Дона приводит к формированию ранее неизвестных геохимических зависимостей на разных участках бассейна. Еще раз подчеркнем, что сложившаяся в настоящий период обстановка приводит к периодическому (во время сильных “низовок” и экстремальных верховок) 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.

Необходима более обширная сеть мониторинга в дельте и целенаправленные исследования, т.к. неизвестно, как осолонение бассейна проявляется в районах забора воды для городского водоснабжения. Восстановление утраченной сети гидропостов позволит заблаговременно приспособиться к дефициту водных ресурсов, а также получить обоснованные рекомендации для природопользования в современных условиях.