Влияние судоходного канала порта Архангельск на перенос взвешенных веществ в зоне смешения «Река—море» устья реки Северной Двины

-Ф-

-Ф-

УДК 551.468

DOI: 10.24411/1728-323X-2018-12017

ВЛИЯНИЕ СУДОХОДНОГО КАНАЛА ПОРТА АРХАНГЕЛЬСК НА ПЕРЕНОС ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ЗОНЕ СМЕШЕНИЯ «РЕКА—МОРЕ» УСТЬЯ РЕКИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

А. В. Лещев, научный сотрудник, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, ineplome@inbox.ru

Рассмотрены вопросы влияния входной части судоходного канала порта Архангельск на процессы перераспределения взвешенных веществ в зоне смешения речных и морских вод в устьевой области реки Северной Двины. Изучены источники поступления взвешенных веществ на судоходном канале. Произведена качественная оценка вклада судоходного канала на поступление твердого стока в море. Судоходный канал негативно влияет на процессы очищения от взвешенных веществ, поступающих со стоком реки, при смешении речных вод с морскими водами и значительно увеличивает долю твердого стока, поступающего в море.

The issues of the influence of the input part of the ship canal of the port of Arkhangelsk on the processes of

redistribution of the suspended matter in the zone of mixing of the river and sea waters in the estuary area of the Northern Dvina River are considered. The sources of suspended matter input to the ship canal have been studied. The qualitative assessment of the contribution of the ship canal to the flow of solid runoff into the sea was made. The ship canal negatively affects the processes of purification from the suspended matter arriving with the river runoff, when the river water is being mixed with the sea water and increases the share of the solid runoff entering the sea.

Ключевые слова: маргинальный фильтр, устьевая область, взвешенное вещество, судоходный канал, твердый сток, Северная Двина, зона смешения.

Keywords: marginal filter, estuary area, suspended matter, navigable canal, solid runoff, the Northern Dvina River, mixing zone.

Архангельский морской порт является единственным крупным портом в России, который расположен во внутреннем водоеме Российской Федерации. За последние годы грузооборот порта Архангельск значительно снизился. Причинами снижения грузооборота являются как экономические, так и природные факторы [1]. Летняя навигация в Белом море длится относительно недолго — около 5—6 месяцев. В зимнюю навигацию проход судов в порт Архангельск обеспечивается деятельностью ледокольного флота, что значительно увеличивает стоимость захода судна на акваторию порта.

В настоящее время экспорт древесины и продуктов лесопромышленного комплекса, составлявших основную часть грузооборота, значительно снизился: нехватка л есного фонда, закрытие предприятий, высокая конкуренция на рынке. Однако, несмотря на уменьшение грузооборота, Архангельский морской порт в настоящее время функционирует круглогодично. Этому способствует в большей степени наличие нефтеналивного терминала. На Архангельский нефтеналивной терминал заходят суда танкерного типа водоизмещением около 20 тысяч тонн. Осадка таких судов в загруженном состоянии составляет около 10 метров. В результате этого портовым службам приходится поддерживать судоходный канал порта и ежегодно проводить дноуглубительные работы.

Наиболее заносимой частью канала является участок, протяженностью чуть более 10 км, который проходит через «Березовый бар» — баровую область на выходе из Корабельного рукава (песчаную подводную отмель в устье реки, образовавшуюся в результате осаждения речных и морских наносов). Естественные глубины на баровой области всех рукавов не превышают 4—5 метров, а в среднем не более 1 метра в м алую воду.

В настоящее время участок судоходного канала, проходящий через баровую область, полностью поддерживается за счет ежегодных дноуглубительных работ. Проектная глубина канала составляет 10,2 метра к нулю 1981 года (минимально наблюденные уровни воды для устья реки Северной Двины), ширина канала — 100 метров (рисунок 1).

Согласно [2] в маргинальных фильтрах северных морей задерживается более 80 % взвешенных веществ. По результатам многолетних экспедиционных работ в устье Северной Двины была поставлена задача оценить влияние судоходного канала на процессы перераспределения взвешенных веществ в зоне смешения река—море.

Основополагающим фактором, регулирующим различные вида! энерго- и массообмена в водной среде, является гидро-

-Ф-

-Ф-

40° 40,2° 40,4° 40,6° 40,8° в.д.

40° 40,2° 40,4° 40,6° 40,8°

Рис. 1. Карта-схема участка судоходного канала от приемного буя до нефтеналивного терминала порта Архангельск

динамика. Изучение гидродинамического режима водного объекта остается основной приоритетной задачей и для хозяйственных нужд. Строительство и обслуживание гидротехнических сооружений (к которым можно отнести судоходный канал порта Архангельск) может значительно повлиять на гидродинамический режим водного объекта и, как следствие, привести к изменениям характеристик водной среды, таких как температура, минерализация (соленость), концентрация растворенного в воде кислорода, содержание взвешенных веществ и других [3]. Все эти факторы, влияющие на состояние водных объектов, в условиях зон смешения вод различного генезиса зависят главным образом от гидродинамического режима.

Устьевая область реки Северная Двина является одним из наиболее интересных объектов для изучения изменения гидрологических характеристик. Наличие в устье большого количества водотоков не позволяет произвести равномерную полигонную съемку, что в значительной степени осложняет интерпретацию получаемых результатов [4]. Сложный гидродинамический режим обусловливает наличие большого разнообразия гидрологических ситуаций в данном районе. Сложность гидродинамического режима устьевой области реки Северная Двина объясняется

наличием сразу нескольких факторов, влияющих на него. К ним относятся: неправильные полусуточные приливы, сгонно-нагонные явления, сложная геоморфология устья (наличие нескольких рукавов с множеством проток и островов), присутствие устойчивого ледового покрова (зимой) на всей акватории и наличие такого явления как «маниха» — приостановка или небольшое падение уровня воды в первой половине фазы прилива [5, 6]. Все это оказывает значительное влияние на биогеохимические процессы, происходящие в зоне смешения речных и морских вод (маргинальном фильтре Северной Двины) [7—10].

При использовании взвешенных веществ в качестве индикатора антропогенного воздействия на качество поверхностных вод часто возникают осложнения, связанные с возможностью появления их высоких концентраций природного происхождения [11]. В первую очередь подобные эффекты возникают при взмучивании мелкодисперсных донных отложений, например илов, при наличии высоких градиентов скоростей течений в водном объекте или при хорошо развитом ветровом волнении. Большие градиенты скорости течений наиболее характерны для устьев рек приливных морей, к которым относится и Белое море [12, 13]. Наличие постоянно меняющихся

Зоны максимального осаждения минеральной взвеси с размером частиц > 0,5 мкм

, поворот с п.в. на м.в.'

поворот с м.в. на п.в.

Биогеохимический фильтр 0,5 %о 5 % 10 %о

Поверхностный вынос органической взвеси

Гидрологический фронт

Приливное течение

20 %

Рис. 2. Схема переноса взвешенных веществ на судоходном канале

течений в устьевой области не позволяет системе переноса взвешенных веществ прийти к состоянию равновесия. В результате чего концентрации взвешенных веществ в воде значительно меняются за период приливного цикла, особенно в придонном слое [14]. Проникновение приливной волны вверх по течению в устьевой области значительно меняется в зависимости от гидрологического сезона. Максимальное проникновение приливной волны наблюдается в период летней межени, когда глубины и сопротивление течения реки наименьшие, минимальное — в период весеннего паводка, когда вследствие увеличения водности сток и глубины резко возрастают.

Следует учесть, что для комплексного анализа данных и оценки режимов на судоходном канале невозможно использовать такой показатель, как бентос. В результате регулярных дноуглубительных работ формирование бентоса на данных акваториях становится невозможным. В то же время исследования некоторых видов бентоса могут в значительной мере улучшить представление о водном объекте [15].

По результатам наблюдений в устьевой области и на взморье реки Северная Двина в период с 2004 по 2012 год были выявлены некоторые особенности влияния судоходного канала на процессы смешения морских и речных вод в зависимости от гидрологического сезона.

Как отмечено в [10], наименьшее различие распределения гидрологических характеристик и концентрации взвешенных веществ между Никольским, Мурманским и Корабельным (судоходный канал) рукавами приходится на период весеннего паводка, а наибольшее на период летней и зимней межени.

На основании полученных данных автором была разработана схема переноса взвешенных веществ в зоне смешения речных и морских вод на судоходном канале порта Архангельск реки Северной Двины (рисунок 2).

Основным фактором, влияющим на процессы смешения речных и морских вод, является отсутствие баровой области на судоходном канале. В результате этого процессы смешения речных и морских вод значительно отличаются от естественных процессов, происходящих в зонах смешения остальных рукавов дельты реки Северной Двины [7].

Рассмотрим источники поступления взвешенных веществ на судоходный канал в зоне смешения речных и морских вод. Основным источником взвешенных веществ на судоходном канале в районе бара является сам бар. В результате штормовых и волновых воздействий на мелководных участках, через которые проходит судоходный канал, образуется сильное взмучивание донных отложений и формирование влекомых наносов. Концентрации взвешенных веществ в воде во время шторма на данной акватории могут достигать более 300 мг/дм3. Именно во время штормовых явлений происходит наибольшая замыва-емость судоходного канала в районе бара. Следующим источником поступления взвешенных веществ является производство дноуглубительных работ. Во время дноуглубительных работ концентрации взвешенных веществ в воде могут достигать более 70 мг/дм3. Правда такое поступление является локальным, но учитывая высокие скорости течений во время прилива и отлива (>1 м/с), происходит значительный перенос взвешенных веществ по судоходному каналу. Еще од-

-Ф-

-Ф-

ним источником поступления взвешенных веществ является проход крупнотоннажных судов. При прохождении танкера концентрации взвешенных в воде веществ увеличиваются до более 80 мг/дм3 в придонном слое и до более 30 мг/дм3 в поверхностном слое. Учитывая, что такие повышения концентраций взвешенных веществ наблюдаются по всему пути следования судна, этот источник является очень значимым при учете переноса взвешенных веществ в зоне смешения речных и морских вод. Ну и непосредственно речной сток также является значимым источником поступления взвешенных в воде веществ. Помимо вышесказанного, также следует учитывать взмучивание донных отложений в результате воздействия приливов.

На судоходном канале из-за отсутствия бара происходит горизонтальное разделение пресных и соленых вод, что, в свою очередь, приводит к формированию вытянутого вдоль фарватера га-локлина. Протяженность на судоходном канале галоклина может достигать более 10 км, а градиенты солености по глубине — до 26 %о/м. Относительная прямолинейность канала позволяет без особого сопротивления морским водам с приливом проникать в придонном горизонте на значительные расстояния (>30 км) в устье реки.

При переходе от прилива к отливу и обратно на всем протяжении приливного устья образуется поворот воды, при котором скорости течений падают и близки к нулю. Однако протяженность по времени этого явления, в зависимости от удаления от взморья, разная. На судоходном канале в районе смешения речных и морских вод поворот с м алой воды на полную воду происходит послойно, а не по всей толще. Зачастую во время прилива в поверхностном слое еще наблюдаются стоковые течения, а в придонном слое уже приливные течения. В результате этого процессы седиментации на судоходном канале значительно отличаются от других русел.

Судоходный канал, в результате постоянно проводящихся на нем дноуглубительных работ, прохода крупнотоннажных судов, является значимым источником поступления взвешенных веществ в море. Естественные процессы самоочи-

щения вод от взвешенных веществ, характерные для маргинальных фильтров северных приливных устьев рек на судоходном канале, существенно нарушены. Учитывая, что через судоходный канал происходит вынос около 20 % речных вод от общего стока реки (по оценкам автора), можно сделать вывод о значительном вкладе судоходного канала в уменьшение процессов самоочищения водных масс от взвешенных веществ в геобарьерной зоне «река—море». Использование данных по взвешенным веществам в воде, полученных на судоходном канале для расчета процессов самоочищения, нельзя применять для всей устьевой области реки Северной Двины. Так, в [8] произведена оценка потерь общего твердого стока в маргинальном фильтре реки Северной Двины, которые составляют всего 23 %, при том, что в среднем для рек мира эта величина варьирует от 80 до 95 %. Учитывая, что 90 % данных, использованных авторами для расчетов, были получены как раз на акватории судоходного канала, можно сделать вывод, что судоходный канал в несколько раз ослабляет процессы самоочищения от взвеси вод в м аргинальном фильтре. Исходя из того, что на остальной акватории зоны смешения «река—море» задерживается не менее 80 % твердого стока реки Северной Двины, можно произвести оценку поступления твердого стока в море для всей устьевой зоны. По расчетам автора в маргинальном фильтре реки Северной Двины задерживается не менее 68 % твердого стока и, как следствие, не более 32 % выносятся в море.

Таким образом, опираясь на вышесказанное, можно сделать вывод, что судоходный канал негативно влияет на процессы очищения от взвешенных веществ, поступающих со стоком реки, при смешении речных вод с морскими водами и значительно увеличивает долю твердого стока, поступающего в море.

Работа выполнена в рамках госзадания ИО РАН (тема № 0149-2018-0016).

Автор благодарит Северо-Западное отделение ИО РАН, лабораторию физико-геологических исследований ИО РАН, сотрудников Архангельского филиала ФГУП «Росморпорт» за оказанную помощь.

Библиографический список

1. Пережогина С. А. Основные причины, сдерживающие грузопоток отрасли морских грузовых перевозок в Архангельской области // Научный обозреватель. 2014. № 7. С. 35—37.

2. Лисицын А. П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 735—737.

3. Чечко В. А., Чубаренко Б. В., Курченко В. Ю. О натурных исследованиях взвешенного вещества, образующегося в судоходном канале под воздействием движущихся судов // Водные ресурсы. 2011. Т. 38. № 3. С. 297—305.

4. Коновалова Н. В., Коробов В. Б., Васильев Л. Ю. Интерполирование климатических данных при помощи гис-тех-нологий // Метеорология и гидрология. 2006. № 5. С. 46—53.

5. Гидрология устьевой области Северной Двины / Под ред. Зотина М. И., Михайлова В. Н. М.: Гидрометеоиздат, 1965. 376 с.

-Ф-

-Ф-

6. Мискевич И. В. Гидрохимия приливных устьев рек: методы расчетов и прогнозирования // Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук / Архангельск, 2004. 290 с.

7. Лещев А. В. Особенности трансформации и переноса взвеси в устьевой области реки Северной Двины // Проблемы региональной экологии. 2013. № 3. С. 114—119.

8. Гордеев В. В., Филиппов А. С., Кравчишина М. Д., Новигатский А. Н., Покровский О. С., Шевченко В. П., Дара О. М. Особенности геохимии речного стока в Белое море // Система Белого моря. Т. II. Водная толща и взаимодействующие с ней атмосфера, криосфера, речной сток и биосфера / Отв. ред. Лисицын А. П., ред. Немиров-ская И. А. М.: Научный мир, 2012. С. 225—308.

9. Шевченко В. П., Покровский О. С., Филиппов А. С., Лисицын А. П., Бобров В. А., Богунов А. Ю., Завернина Н. Н., Золотых Е. О., Исаева А. Б., Кокрятская Н. М., Коробов В. Б., Кравчишина М. Д., Новигатский А. Н., По-литова Н. В. Об элементном составе взвеси реки Северная Двина (бассейн Белого моря) // Докл. РАН. 2010. Т. 430. № 5. С. 686—692.

10. Лещев А. В. Влияние гидротехнических сооружений на формирование зоны смешения речных и морских вод (на примере судоходного канала порта Архангельск) / Геология морей и океанов: Материалы XXI Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. III. — М.: ГЕОС, 2015. С. 216—220.

11. Dittmar T., Kattner G. The biogeochemistry of the river and shelf ecosystem of the Arctic Ocean: a review // Marine Chemistry. 2003. V. 83. № № 3—4. P. 103—120.

12. Grabemann I., Krause G. Transport processes of suspended matter derived from time series in a tidal estuary // Journal of Geophysical Research. Oceans. 1989. V. 94. № C10. P. 14373—14379.

13. Shevchenko V. P., Dolotov Y. S., Filatov N. N., Alexeeva T. N., Filippov A. S., Nothig E.-M., Novigatsky A. N., Pau-tova L. A., Platonov A. V., Politova N. V., Rat'kova T. N., Stein R. Biogeochemistry of the Kem' River estuary, White Sea (Russia) // Hydrology and Earth System Sciences. 2005. V. 9. P. 57—66.

14. Turner A., Millward G. E. Suspended particles: their role in estuarine biogeochemical cycles // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. V. 55. № 6. P. 857—883.

15. Махнович Н. М. Исследование Dreissenapolymorpha (Pallas, 1771) как объекта биомониторинга в устье реки Северная Двина // Проблемы региональной экологии. 2016. — № 1. — С. 39—43.

THE IMPACT OF THE SHIP CANAL OF THE PORT OF ARKHANGELSK

ON THE SUSPENDED MATTER TRANSFER IN THE MIXING ZONE "RIVER—SEA"

OF THE ESTUARY OF THE NORTHERN DVINA RIVER

A. V. Leshchev, research scientist, Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences References

1. Perezhogina S. A. Osnovnye prichiny, sderzhivayushchie gruzopotok otrasli morskih gruzovyh perevozok v arhangel'skoj ob-lasti // Nauchnyj obozrevatel'. 2014. No. 7. C. 35—37. [in Russian].

2. Lisitsin A. P. Marginal filter of oceans // Oceanology. 1994. Vol. 34. No. 5. P. 735—737. [in Russian].

3. Chechko V. A., Chubarenko B. V., Kurchenko V. Y. On the field studies of the suspended matter that is formed in a ship canal under the effect of moving ships // Water Resources. 2011. Vol. 38. No. 3. P. 298—305. [in Russian].

4. Konovalova N. V., Korobov V. B., Vasil'ev L. Yu. Interpolation of climatic data using GIS technologies // Russian Meteorology and Hydrology. 2006. No. 5. P. 35—40. [in Russian].

5. Gidrologiya ust'evoj oblasti Severnoj Dviny / Pod red. Zotina M. I., Mihajlova V. N. M.: Gidrometeoizdat, 1965. 376 s. [in Russian].

6. Miskevich I. V. Gidrohimiya prilivnyh ust'ev rek: metody raschetov i prognozirovaniya // Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni doktora geograficheskih nauk / Arhangel'sk, 2004. 290 s. [in Russian].

7. Leshchev A. V. Features of transformation and transfer of the suspended matter in the mouth of the Northern Dvina River // Problemy regional'noj ehkologii. 2013. No. 3. P. 114—119. [in Russian].

8. Gordeev V. V., Filippov A. S., Kravchishina M. D., Novigatskij A. N., Pokrovskij O. S., Shevchenko V. P., Dara O. M. Osobennosti geohimii rechnogo stoka v Beloe more // Sistema Belogo morya. T. II. Vodnaya tolshcha i vzaimodejstvuyushchie s nej atmosfera, kriosfera, rechnoj stok i biosfera / Otv. red. Lisicyn A. P., red. Nemirovskaya I. A. M.: Nauchnyj mir, 2012. S. 225—308. [in Russian].

9. Shevchenko V. P., Filippov A. S., Lisitsyn A. P., Zolotykh E. O., Isaeva A. B., Kravchishina M. D., Novigatsky A. N., Politova N. V., Pokrovsky O. S., Bobrov V. A., Bogunov A. Yu., Kokryatskaya N. M., Zavernina N. N., Korobov V. B. On the elemental composition of suspended matter of the Severnaya Dvina River (the White Sea Region) // Papers on Earth Sciences. 2010. Vol. 430. No. 2. P. 228—234.

10. Leshchev A. V. The effect of hydraulic structures on the formation of the mixing zone of the river and sea water (a study of the shipping channel of the port of Arkhangelsk) / Geologiya morej i okeanov: Materialy XXI Mezhdunarodnoj nauchnoj kon-ferencii (SHkoly) po morskoj geologii. T. III. — M.: GEOS, 2015. C. 216—220. [in Russian].

11. Dittmar T., Kattner G. The biogeochemistry of the river and shelf ecosystem of the Arctic Ocean: a review // Marine Chemistry. 2003. Vol. 83. No. 3—4. P. 103—120.

12. Grabemann I., Krause G. Transport processes of suspended matter derived from time series in a tidal estuary // Journal of Geophysical Research. Oceans. 1989. V. 94. No. C10. P. 14373—14379.

13. Shevchenko V. P., Dolotov Y. S., Filatov N. N., Alexeeva T. N., Filippov A. S., Nothig E.-M., Novigatsky A. N., Pautova L. A., Platonov A. V., Politova N. V., Rat'kova T. N., Stein R. Biogeochemistry of the Kem' River estuary, the White Sea (Russia) // Hydrology and Earth System Sciences. 2005. V. 9. P. 57—66.

14. Turner A., Millward G. E. Suspended particles: their role in estuarine biogeochemical cycles // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. V. 55. No. 6. P. 857—883.

15. Makhnovich N. M. The study of Dreissena polymorpha (Pallas, 1771) as an object of bio-monitoring in the mouth of the Northern Dvina River // Problemy regional'noj ehkologii. 2016. No. 1. P. 39—43. [in Russian].