Геохимия, 2022, T. 67, № 11, стр. 1142-1156

Химический состав поверхностных вод арктической территории Западной Сибири

Исследуемые воды характеризуются широким диапазоном значений рН от сильнокислых до слабощелочных, при среднем значении 5.78 (табл. 1). Преимущественно встречаются воды со значениями рН, соответствующими слабокислой и нейтральной среде. По значению минерализации воды ультрапресные, лишь в двух точках значения минерализации превышают 100 мг/л (р. Малая Хадырьяха, р. Обь).

Изучаемые воды характеризуются достаточно высокими значениями показателей, определяющих содержание органических веществ. Так, значение ХПК достигает 414 мгО₂/дм³, в подавляющем большинстве точек опробования оно превышает допустимые нормы, установленные для поверхностных источников, используемых для рекреационного водопользования (ПДКрв 15 мгО₂/дм³ (СанПиН 1.2.3685-21)). В точке с максимальным значением ХПК наблюдается и самое высокое значение ПОК (168 мгО₂/дм³) (просадка 1020, табл. 1). Максимальная концентрация РОУ (95.2 мг/л) также характерна для просадки (1015). Максимальные концентрации РОУ характерны в основном для просадок, реже озер и ручьев. Похожая зависимость прослеживается также для ХПК и ПОК. Полученные данные по содержанию РОУ в целом соответствуют значениям, полученным ранее для рек и термокарстовых озер зон сплошного и прерывистого развития ММП Западно-Сибирской низменности (Manasypov et al., 2015, 2020; Pokrovsky et al., 2015). Концентрации CO₂, которые косвенно свидетельствуют о протекании процесса минерализации органического вещества, в изучаемых водах меняются в пределах 1.9–32.6 мг/л при среднем значении 9.7 мг/л. Эти значения соответствуют концентрациям СО₂, определенным в работе (Manasypov et al., 2020) в весенний и летний периоды в водах термокарстовых озер, расположенных в зоне сплошного распространения ММП, и значительно превышают таковые, определенные в водах термокарстовых озер зоны прерывистого распространения многолетней мерзлоты.

Катионный состав разнообразен, но чаще встречаются кальциево-магниевые и магниево-кальциевые воды, натрий редко является преобладающим катионом. Однако здесь следует отметить, что существенную роль в химическом составе исследуемых вод играет также ион аммония. Концентрации N-${\text{NH}}_{4}^{ + }$ варьируют от 0.05 до 3.03 мг/л при среднем значении 0.3 мг/л. В 19 точках опробования содержание N-${\text{NH}}_{4}^{ + }$ превышает норматив, установленный для водных объектов рыбохозяйственного значения – ПДКрх 0.4 мг/л (Приказ…, 2016). Максимальные концентрации иона аммония характерны для просадок 1015 и 1020 (табл. 1). Помимо просадок, высокая доля иона аммония характерна и для озер, и редко для достаточно крупных рек (р. Пур, р. Панкитъяха). В этих же объектах наблюдаются высокие значения ХПК (более 80 мгО₂/дм³), что еще раз указывает на то, что процессом, ведущим к обогащению природных вод ионом аммония, является минерализация органического вещества. Ввиду низкой минерализации вод, при учете иона аммония в катионном составе его доля достигает в некоторых точках 70% от содержания катионов. Это указывает на важную роль органического вещества в формировании состава изучаемых вод, поскольку ион аммония является первой ступенью минерализации азотсодержащего органического вещества (Li et al., 2012; Zhu et al., 2015; Сорокин, Александров, 2013). В подтверждение, аммонийная форма является преобладающей в балансе соединений азота в исследуемых водах, что указывает на постоянное поступление органического вещества в воду и на благоприятные условия для его накопления (отсутствие растворенного кислорода, замедленный водообмен). Также следует отметить, что содержание аммонийного азота в изученных поверхностных водоемах значительно превышает концентрации, приведенные в работе (Vorobyev et al., 2017), полученные по результатам опробования 2015 г.

В анионном составе в основном преобладает гидрокарбонат-ион: встречаются собственно гидрокарбонатные воды, реже гидрокарбонатно-сульфатные и гидрокарбонатно-хлоридные воды. В некоторых точках среди анионов преобладает сульфат – встречаются собственно сульфатные воды, редко сульфатно-гидрокарбонатные и сульфатно-хлоридные воды. Преобладание сульфат-иона обычно характерно для просадок. В двух точках опробования отмечено преобладание хлорид-иона (просадка и оз. Кирилл-Выслор). Повышенные концентрации хлорид-иона приурочены к районам с развитым нефтегазодобывающим комплексом и зоне влияния нефте- и газопроводов, таким образом, наиболее вероятно, они носят антропогенный характер. Такой вывод сделан на основе анализа многолетних наблюдений в районах нефтегазодобычи (Московченко, 2007; Московченко и др., 2008). Повышенные относительно фона содержания хлорид-иона приурочены в основном к просадкам и рекам. Концентрации нитрит-иона в пересчете на N не превышают 0.006 мг/л, а содержания N-${\text{NO}}_{3}^{ - }$ редко превосходят 0.05 мг/л. Наиболее высокие концентрации нитратов приурочены к речным водам. Концентрации фосфат-иона также достаточно низкие и лишь в нескольких точках превышают 0.05 мг/л в пересчете на фосфор (ПДКрх для олиготрофных водоемов) (Приказ…, 2016), в основном эти точки относятся к водам рек бассейна р. Пур, отобранных вблизи п. Уренгой. Данная особенность химического состава вод весьма вероятно связана с условиями инженерного освоения территории. Высокие концентрации фосфатов характерны для четвертой морской террасы, песчаные отложения которой используются для обустройства месторождений (отсыпки кустов, строительство подъездных дорог) и с поверхностным и подземным стоком могут поступать в водоемы. В целом, концентрации нитратного азота и фосфатов соответствуют данным, полученным (Vorobyev et al., 2017) для малых рек бассейнов рр. Обь, Таз и Пур, протекающих в зонах сплошного и прерывистого распространения ММП.

Результаты статистического анализа

Для проверки статистической значимости указанных закономерностей, а также для выявления более сложных зависимостей и факторов, влияющих на формирование химического состава воды объектов исследования, был применен ряд статистических методов.

Корреляционный анализ показал положительную связь между основными катионами и анионами химического состава и значениями минерализации и рН (табл. 2), исключение в данном случае составляет только сульфат-ион, для которого корреляционная связь с рН отсутствует. Указанные корреляции являются отражением процессов взаимодействия между водой и породой (минеральным субстратом). При этом отсутствие корреляции между содержанием сульфат-иона и рН говорит о более сложных процессах, влияющих на поступление ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ в воду, нежели растворение породы. Концентрации основных катионов и анионов также связаны между собой корреляциями разной силы. Наиболее сильная корреляция характерна для содержаний Ca²⁺ и Mg²⁺. Наиболее слабые корреляции характерны для K⁺ с ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Cl^–. Закономерна и отрицательная корреляция концентрации растворенной углекислоты со значением рН и концентрациями основных ионов, которая объясняется балансом растворенных карбонатных форм (СО₂, ${\text{НСО}}_{3}^{ - },$ ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$) в зависимости от рН водного раствора. Следует отметить достаточно высокое значение корреляции между концентрацией хлорид-иона и натрия. Данная корреляция сильнее, чем зависимости между концентрацией Cl^– и остальными катионами, анионами и значением минерализации, что свидетельствует о том, что обогащение вод Na⁺ может быть результатом антропогенного воздействия наряду с хлорид-ионом (Московченко, 2007).

Показатели, отражающие поступление органического вещества (РОУ, ХПК, ПОК) демонстрируют сильную корреляцию между собой (r = 0.93 между РОУ и ХПК, r = 0.88 между ХПК и ПОК, r = 0.87 между РОУ и ПОК) и практически идентичную структуру корреляционных связей с другими компонентами и показателями состава поверхностных вод. Сильная положительная взаимосвязь наблюдается между РОУ, ХПК, ПОК и концентрацией аммонийного азота, структура корреляционных взаимосвязей которого практически повторяет корреляции ПОК (табл. 2). Отрицательная корреляция отмечена между РОУ, ХПК, ПОК и концентрациями основных катионов, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ и значениями рН и минерализации, слабая отрицательная корреляция также характерна для нитратного азота. Для нитратного азота также характерна слабая положительная взаимосвязь с концентрациями K⁺, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ показателями рН и минерализации.

Принимая во внимание выявленные закономерности, были оценены различия между группами изученных объектов. Основными группами объектов в данном случае являются водотоки (реки и ручьи), водоемы (озера) и просадки (в большинстве случаев точечные объекты). Тест Краскела–Уоллеса для сравнения нескольких независимых выборок показал, что различия между указанными тремя группами являются статистически значимыми по значениям рН, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ, ХПК, ПОК и минерализации (рис. 2, 3). Далее необходимо было проверить проявляются ли эти различия между всеми тремя группами или действительны только для определенны пар. Для этого был использован U-критерий Манна–Уитни для сравнения двух независимых выборок. Было выявлено, что между водотоками и просадками все указанные различия являются статистически значимыми, кроме разницы между средними концентрациями сульфат-иона. При этом значения средних и дисперсии основных показателей химического состава (рН, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, минерализация) в водотоках превышают аналогичные для вод просадок (рис. 2), тогда так значения средних и дисперсии N-${\text{NH}}_{4}^{ + }{\text{,}}$ РОУ, ХПК и ПОК выше для вод просадок (рис. 3).

Рис. 2.

Различия поверхностных водных объектов ЯНАО по основным показателям химического состава.

Рис. 3.

Различия поверхностных водных объектов ЯНАО по показателям, отражающим содержание азота и углерода (условные обозначения см. на рис. 2).

Между водотоками и водоемами статистически значимыми являются только отличия между концентрациями ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и значениями рН и минерализации. Средние значения и дисперсии всех перечисленных показателей для водотоков превышают аналогичные значения для водоемов (рис. 2). По показателям N‑${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ, ХПК и ПОК статистически значимых отличий между водоемами и водотоками не отмечается (рис. 3). Разница между водоемами и просадками выражается в статистически значимых отличиях между средними концентрациями ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ и значениями рН, ХПК, ПОК. Значения средних и дисперсии показателя рН и концентрации ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ выше для водоемов, в то время как воды просадок характеризуются существенно более высокими средними значениями и дисперсией N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ, ХПК и ПОК, чем водоемы.

Таким образом, можно выделить основные отличительные признаки объектов друг от друга (рис. 4). Водотоки (ручьи и реки) отличаются от площадных объектов (озер и просадок) более широкими пределами значений рН (от кислых до слабощелочных), а также повышенной минерализацией. Дополнительные особенности характеризуют просадки: они отличаются от других объектов более кислыми значениями рН и повышенными значениями показателей, связанных с наличием органического вещества: ХПК, ПОК и концентрациями N-${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и РОУ, что обусловлено особенностями их формирования.

Рис. 4.

Структура классификационных характеристик поверхностных водных объектов ЯНАО.

Авторами также была рассмотрена вероятность существования значимых отличий в составе поверхностных вод различных речных бассейнов. В данном исследовании изученные объекты представляют 4 крупных речных бассейна – водосборные площади рр. Обь, Таз, Пур, Надым. С помощью теста Краскела–Уоллеса было выявлено отсутствие статистически значимых отличий между физико-химическими показателями состава поверхностных вод в пределах четырех изученных бассейнов, за исключением концентраций Ca.

Согласно критерию Кайзера (Kaiser, 1960), на формирование химического состава поверхностных водных объектов ЯНАО преимущественное влияние оказывают три фактора: собственные значения дисперсии первых трех факторов составляют 5.9; 2.4; 1.0 соответственно. В качестве переменных для анализа (с основными наблюдениями) в методе главных компонент (PCA) были выбраны показатели и компоненты химического состава, для которых выявлены статистически значимые отличия поведения между различными типами объектов (pH, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ, ХПК, ПОК, минерализация). Остальные компоненты были заданы в качестве вспомогательных переменных. Анализ основывался на значениях всех наблюдений.

Трехфакторная модель объясняет 85.2% вариации исходных данных. Первый фактор положительно коррелирует с переменными, отражающими изменения общего химического состава вод (pH, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, минерализация, и в меньшей степени с Cl^-), слабее проявляются отрицательная корреляции с N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ РОУ и ХПК (рис. 5, табл. 3). На этот фактор приходится 53.6% объясненной дисперсии.

Рис. 5.

Проекция переменных на факторное пространство (Фактор 1 vs Фактор 2).

Максимальные факторные нагрузки второго фактора приходятся на показатели, отражающие содержание органического вещества (N-${\text{NH}}_{4}^{ + },$ ХПК, ПОК) и, в меньшей степени, коррелируют с содержанием непосредственно РОУ. Второй фактор объясняет 22.1% дисперсии данных. Третий фактор объясняет только 9.5% вариации данных и связан с концентрацией ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ сильной отрицательной корреляцией (табл. 3).

При проектировании факторных нагрузок на пространство первого и второго факторов достаточно четко выделяются все три основных типа водных объектов – водотоки, озера и просадки (рис. 6). Также очевидно, что первый фактор в основном объясняет дисперсию данных по линейным объектам (рекам и ручьям), в то время как второй – по просадкам. Такое распределение нагрузок подтверждает выводы об обусловленности факторов. В частности, подтверждается вывод о том, что второй фактор связан с протаиванием органогенных горизонтов почв. Третий фактор, судя по распределению нагрузок, наиболее существенное влияние оказывает на водотоки и в меньшей степени на просадки, однако такой явной группировки объектов, как по первому и второму факторам, в данном случае не наблюдается.

Рис. 6.

Распределение факторных нагрузок для Факторов 1 и 2 с учетом типа водного объекта.

Можно заключить, что первый фактор выражает влияние взаимодействия воды и минеральной составляющей подстилающих пород, а для водотоков, вероятно, и дальности переноса взвешенного материала. Также первый фактор в какой-то степени отражает состав атмосферных осадков, являющихся одним из основных источников питания водотоков и крупных поверхностных водоемов. Однако здесь следует отметить, что объекты были отобраны в период летне-осенней межени, когда роль атмосферных осадков как источника питания ограничена. Второй фактор связан с оттаиванием органогенных (торфяных) горизонтах почв. Наиболее вероятными причинами обособления третьего фактора могут являться специфические особенности состава пород, с которыми взаимодействуют изучаемые воды, а также процессы, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Влияние антропогенного фактора в данном случае можно исключить, поскольку отсутствует корреляционная взаимосвязь сульфат иона с концентрациями хлорид-иона, связь же с концентрациями натрия на уровне с остальными основными катионами и анионами, имеющими природное происхождение. Дать более конкретное описание третьего фактора, влияющего на формирование химического состава исследуемых вод, на основе имеющихся данных затруднительно.