Введение

Север Восточно-Европейской равнины отличается контрастностью неотектонических, геологических, климатических и ландшафтных условий, определяющих химический состав горных пород и подземных вод. В современный период усиливающееся техногенное воздействие на природную среду в пределах региона приводит к необратимым последствиям, в том числе локальному загрязнению подземных вод.

Цель исследования – пространственно-временная оценка подземного стока высокоподвижных водных мигрантов (суммы ионов натрия и калия) в различных речных бассейнах севера Восточно-Европейской равнины. Дан анализ подземной составляющей стока Na++K+ в зависимости от состава горных пород и литологических комплексов.

Материалы и методы исследования

Исходной информацией для работы послужила база данных по ионному стоку рек севера Восточно-Европейской равнины, созданная кафедрой ландшафтной экологии Казанского университета на основе материалов ФГБУ «Северное УГМС», а также количественная информация о природно-антропогенных характеристиках региона, полученная на геопортале «Речные бассейны Европейской России» [1; 2].

Современные методы оценки подземного питания рек разнообразны и зависят от природных условий, сформировавших речной бассейн, его изученности в историческом и доступности в современном аспектах. Так, метод прямого измерения подземного питания рек путем анализа проб подземных вод из скважин различной глубины применим в местах интенсивной разгрузки подземных вод. Такие работы выполнялись в нашей стране Н. П. Торсуевым в пределах Тиманского кряжа [3, с. 34]. В настоящее время работы данной направленности ведутся О. Г. Савичевым (2025) в бассейне р. Оби, а также П. И. Яковлевым (2025) в бассейне р. Западной Двины [4; 5]. За рубежом работы подобной направленности выполнены X.-W. Jiang и др. (2018) в пределах Ордовского плато на северо-западе Китая, J. E. Solder (2016) в бассейне р. Колорадо (США) [6; 7].

Метод гидрогеохимической идентификации используется, как правило, для рек, имеющих тесную гидравлическую связь с подземными водами. Примерами таких исследований являются работы M. L. Atkins и др. (2016) в бассейне р. Ричмонд (Австралия), M. Blumstock и др. (2016) в Северо-Шотландском нагорье, M. B. Khadka (2017) в Северо-Центральной Флориде (США) [8–10].

В последнее десятилетие широко распространен метод гидрологического моделирования [11]. Основу этого метода заложили еще советские гидрологи, которые пытались определить источники питания рек по гидрографу расходов воды. Исследователи Государственного гидрологического института считали целесообразным выбор метода, предложенного В. С. Советовым (1930) и Т. М. Черной (1964), которые в работах выделяли, во-первых, глубокие подземные воды на гидрографе прямой, соединяющей минимальные расходы воды в реке, и, во-вторых, верховодку (почвенно-грунтовый сток) [11]. Подобные работы также провели: C. A. Rumsey и др. (2015) в верховьях бассейна р. Колорадо (США), И. Ю. Лешан, И. Н. Брехова (2017) в верховьях бассейна р. Волги (Россия), J. Jódar и др. (2017) в бассейне р. Берчулес (Испания) [12–14].

В настоящее время с использованием метода гидрологического моделирования проводится оценка подземного питания рек по их меженному стоку в бассейне р. Чая (Обь-Иртышское междуречье), в бассейне р. Кубань, а также в речных бассейнах Енисейского кряжа [15–17]. Такие работы также проводились в Республике Татарстан [18; 19]. За рубежом похожие работы приурочены к бассейнам рек Южной Африки и Канады [20; 21].

С. О. Гриневским и др. (2016) применена модель, оценивающая инфильтрационное питание подземных вод атмосферными осадками с привлечением данных о характере земной поверхности [22].

В целом в данной работе рассчитана доля подземного питания реки несколькими способами (рис. 1).

В итоге был выбран метод оценки подземного стока рек по минимальным расходам воды в годовом срезе, предложенный В. С. Советовым (1930) [11], с учетом следующих обстоятельств:

− минимальные расходы воды, отражающие глубокий подземный сток, формируют устойчивую часть стока данной реки;

− минимальные расходы воды отбираются в период глубокой зимней межени, когда в средних и высоких широтах питание рек полностью обеспечивается грунтовым стоком [23, c. 65];

− данный метод не требует обширной информационной базы, прост в расчетах и дает физически обоснованный результат.

Недостатком метода является отсутствие учета типа взаимосвязи поверхностных и грунтовых вод в кратковременный период половодья, а также возможного превышения площади подземного водосбора для карстовых рек над поверхностным водосбором.

Рис. 1. Методы оценки подземной составляющей в водном стоке реки (на примере р. Кодина – р. п. Кодино за 2000 г.) Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

В целом подземный сток воды Wводн подз (км3) оценивался по формуле

Wводн подз = Qmin ‧ n ‧ 0,0001,

где Qmin – минимальный среднесуточный расход воды за гидрологический год, м3/с,

n – количество дней в данном гидрологическом году.

Доля подземного стока воды в общем годовом стоке воды рассчитывалась как отношение величины подземного стока воды к общему стоку воды за каждый гидрологический год по формуле

p = Wводн подз / Wводн год .

Подземный ионный сток (кг/км2), в свою очередь, рассчитывался по формуле, предложенной В. П. Зверевым (1982):

,

где Сзима – концентрация ионов в период глубокой зимней межени при известных минимальных значениях расходов воды, мг/л (в средних и высоких широтах в период зимней межени питание рек полностью обеспечивается грунтовым стоком);

Wводн.подз – суммарный сток глубоких подземных вод в данном гидрологическом году, км3;

p – доля стока глубоких подземных вод в общем стоке воды за данный гидрологический год;

Wи.атм – атмосферная составляющая ионного стока с данного речного бассейна;

F – площадь речного бассейна выше поста наблюдения, км2 [23–25].

Преимуществом метода является детальность расчетов, основанная на привлечении ежедневных данных о расходах воды, ежемесячных данных о количестве и качестве атмосферных осадков, данных о качестве поверхностных вод по фазам водного режима, а также интеграции нескольких подходов:

1. Метода оценки подземного ионного стока, предложенного В. П. Зверевым (1982):

а) использование данных о концентрации ионов в период глубокой зимней межени, когда в средних и высоких широтах питание рек полностью обеспечивается грунтовым стоком;

б) учет атмосферной составляющей в подземной приточности ионов, обусловленной вероятностью просачивания ионов атмосферного происхождения вместе с атмосферными осадками в подземные воды;

2. Приведение исходной детализированной (по сравнению с предшествующими исследованиями) в пространстве и во времени информации о качестве и количестве атмосферных осадков к единому знаменателю – гидрологическому году.

Результаты исследования и их обсуждение

В пространственном аспекте подземная составляющая в речном стоке Na++K+ варьирует в пределах 220,7–2795,1 кг/км2 (табл. 1).

Таблица 1

Статистические показатели пространственно-временной изменчивости подземной составляющей речного стока Na++K+ (b1 – угловой коэффициент линейной регрессии многолетней изменчивости подземной составляющей речного стока Na++K+, n – количество лет наблюдений)

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Минимальные значения приурочены к юго-западной части региона исследования с господством ледниковых отложений (рис. 2) [26]. Так, самые низкие значения, не превышающие 250 кг/км2, отмечаются в пределах Онего-Двинского плато (бассейны рек Сямжа, Волошка), что, возможно, исторически обусловлено выпадением повышенного годового количества атмосферных осадков (500–550 мм), предопределяющего большую перемытость горных пород (коэффициент корреляции R = -0,54) (рис. 3) [1; 2].

Напротив, в пределах Сухоно-Волжского водораздела в бассейне р. Лежа отмечается локальный участок снижения годового количества атмосферных осадков до 450–500 мм, при этом значения подземной составляющей в речном стоке Na++K+ повышаются до 411,1 кг/км2 (табл. 1) [1; 2]. Далее к востоку в пределах Двинско-Пинежского междуречья, а также Тиманского кряжа значения подземной составляющей стока Na++K+ возрастают до 600–750 кг/км2. Аномально высокие значения подземной составляющей стока Na++K+ встречаются на р. Золотица (1629,2 кг/км2), Кодина (1621,5 кг/км2) и Сула (2795,1 кг/км2) (табл. 1).

Рис. 2. Пространственная изменчивость подземной составляющей стока Na++K+ в пределах севера Восточно-Европейской равнины. Гидрологические посты: 1 – Волошка – д. Тороповская, 2 – Кодина – р.п. Кодино, 3 – Сямжа – с. Сямжена, 4 – Лежа – ст. Бушуиха, 5 – Кичменьга – д. Захарово, 6 – Вишера – д. Лунь, 7 – Нившера – д. Троицк, 8 – Весляна – р. п. Вожаёль, 9 – Елва – с. Мещура, 10 – Вымь – с. Весляна, 11 – Иосер – пос. Иосер, 12 – Яренга – с. Тохта, 13 – Виледь – д. Инаевская, 14 – Вага – д. Глуборецкая, 15 – Пинега – д. Согры, 16 – Покшеньга – пос. Сылога, 17 – Золотица – д. Верхняя Золотица, 18 – Мезень – д. Макариб, 19 – Большая Лоптюга – д. Буткан, 20 – Вашка – д. Вендига, 21 – Пеза – д. Сафоново, 22 – Седью – пос. Седью, 23 – Пижма – д. Боровая, 24 – Сула – д. Коткина Примечание: составлен авторами на основе источников [1; 2]

Что касается временной изменчивости подземной составляющей стока Na++K+, то в данной работе в качестве показателя, отражающего динамику ее многолетней изменчивости (ее выраженность, направление и скорость) рассматривался угловой коэффициент линейной регрессии b1. В результате расчетов выявлено, что в регионе наиболее выраженная положительная динамика подземной составляющей стока Na++K+ отмечается для речных бассейнов юго-западной части региона с повышенной антропогенной нагрузкой [1; 2]. Так, для бассейнов р. Вага и Сямжа коэффициент b1 в уравнении линейной регрессии y = b0 + b1x равен 26,5 и 16,4 соответственно (табл. 1).

Так, эти речные бассейны (в том числе бассейн р. Лежа), расположенные в более теплом юго-западном секторе региона со среднегодовой температурой воздуха, превышающей 2°С, характеризуются распространением по берегам рек сельскохозяйственных угодий [1; 2].

Рис. 3. Зависимость подземной составляющей стока Na++K+ от среднегодового количества атмосферных осадков Примечание: составлен авторами на основе источников [1; 2]

В связи с функционированием сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов здесь, возможно, имеет место постепенное вымывание грунтовыми водами накопленных годами остаточных компонентов минеральных удобрений, содержащих анализируемые ионы. Кроме того, в более поздний период, в 2000-х гг., здесь фиксируются абсолютные максимумы подземной составляющей речного стока Na++K+ (для р. Вага – в 2007 г., р. Сямжа – в 2004 г.).

Напротив, выраженный отрицательный тренд (b1 менее -12) подземной составляющей речного стока Na++K+ характерен для р. Волошка (b1 = -14,1), р. Вымь и ее притоков (в том числе Елва (b1 = -12,8), Нившера (b1 = -17,8)), а также рек лесотундры (Сула (b1 = -20,7)) и северо-таежной подзоны (Покшеньга (b1 = -12,1), Кодина (b1 = -14,2)). Так, максимальные значения подземной составляющей стока Na++K+ в бассейне р. Вымь отмечаются в 1970-х гг., тогда как для рек северо-таежной подзоны фиксируются в более поздний период – в 1990-х гг. (табл. 1).

Слабо выраженная тенденция временной изменчивости подземной составляющей стока анализируемых ионов (b1 по модулю не превышает 1) отмечается в бассейнах р. Золотица и Вишера (табл. 1). Незначительные изменения в многолетнем аспекте характерны и для рек с длинными рядами наблюдений (рис. 4).

Изменчивость долевого участия подземной составляющей в суммарном речном стоке Na++K+ синхронна с пространственной изменчивостью ее абсолютных показателей (коэффициент корреляции R равен 0,8194 при уровне значимости p = 0).

Рис. 4. Графики многолетней изменчивости подземной составляющей стока Na++K+ в бассейнах р. Яренга, Виледь и Пижма Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Таблица 2

Подземная составляющая стока Na++K+ в пределах литологических комплексов разного возраста

Примечание: составлена авторами на основе источников [26; 27].

В целом долевое участие подземной составляющей в суммарном речном стоке Na++K+ варьирует от 15,5 % (Лежа) до 65,8 % (Сула).

Самые высокие показатели (более 55 %) отмечаются для бассейнов р. Виледь, Кодина, Сула (табл. 1). Минимальные значения вклада подземной составляющей Na++K+ в общий сток ионов (менее 20 %) тяготеют к речным бассейнам юго-западной окраины региона (Лежа, Сямжа, Вага, а также Волошка), что, возможно, обусловлено большим вкладом других составляющих стока анализируемых ионов – атмосферной и поверхностной (почвенной). Так, для данных речных бассейнов характерно наличие распаханных земель (10,53; 0,33; 0,7 и 0,06 % соответственно), являющихся, как правило, источником накопленных минеральных удобрений в почвах. Кроме того, близость промышленных узлов региона (Вологда, Череповец), возможно, усиливает вклад атмосферной составляющей в общий речной сток анализируемых ионов.

В пределах литологических комплексов разного возраста подземная составляющая стока Na++K+ варьирует: минимальные значения вклада приурочены к речным бассейнам, сложенным верхнепермскими отложениями казанского яруса (известняками, мергелями, доломитами), не превышая 220,7 кг/км2, тогда как максимум приходится на более древние верхнекембрийские отложения (глины, алевролиты и песчаники), достигая 1629,2 кг/км2 (табл. 2).

Заключение

Абсолютные значения подземной составляющей стока Na++K+ исследуемых речных бассейнов севера Восточно-Европейской равнины варьируют в пределах 181,9–2795,1 кг/км2. Максимальные значения (более 1000 кг/км2) фиксируются в пределах бассейнов р. Сула, Золотица, Кодина и Виледь.

Пространственная изменчивость долевого участия подземной составляющей стока Na++K+ варьирует от 15,5 до 65,8 %. Максимальный вклад (более 50 %) отмечается в бассейнах рек Сула, Кодина, Виледь.

Анализ литологических комплексов показал, что в пределах более древних литологических комплексов (карбонового, девонского и кембрийского возраста), слагающих анализируемые бассейны рек (Золотица, Сула, Мезень, Седью, Пижма, Кодина), отмечаются наибольшие величины подземной составляющей Na++K+.

Проведенное исследование показало, что выраженный рост подземной составляющей анализируемых ионов отмечается в более освоенных бассейнах рек.

Исследование имеет практическую значимость, его результаты могут быть полезны при реализации мероприятий в области рационального природопользования, эффективной нефтегазодобычи, безопасности строительства, геохимического контроля, оценки миграции загрязняющих веществ, а также реконструкции и прогноза в геоэкологических исследованиях в регионе.