книги / Метан в водных экосистемах

D (СН4), 10 см2/с	ля каждого из них в об­
	щем	потоке зависит от
	существующих			в	вод­
	ном	объекте		условий.
	Этот метод в целом да­
	ёт бол.ее		точные		ре­
	зультаты,		однако		точ­
	ность	оценки		потоков
	метана		существенно
	снижается		в	режиме
Рис. 72. Коэффициенты диффузии метана в осадках	длительного			накопле­
Балтийского моря различной влажности	ния,	из-за	изменения
(экспериментальные данные) (по [92])	градиента		концентра­
	ций.	Также необходи­

мо отметить, что при исследовании глубоких участков применение этого метода для замера потоков метана в “системе донные отло­ жения - вода" сопряжено со значительными трудностями.

В1999 г. в июне в реке Темерник, в августе в р. Дон и в октябре

вТаганрогском заливе с помощью накопительных камер (ловушек) были проведены определения величины потока метана в системе "донные отложения - вода - атмосфера” и особенностей его суточ­ ного хода [261,262].

Для измерения потоков метана нами было изготовлено специ­ альное оборудование. Устройство для сбора метана из донных от­ ложений (ловушка) (рис.73а) представляет собой цилиндрическую емкость (1) (внутренним диаметром 103 мм и длиной 300-350 мм), открытую снизу и переходящую в верхней части в конус (2). К кону­ су, оканчивающемуся патрубком, герметично подсоединена силико­ новая трубка (5) для отбора газовой фазы. В верхней же части на­ копителя остается небольшой объем воздуха для сбора метана, как

а

б

/ 3

Рис. 73. Устройство ловушек, накапливающих метан, мигрирующий из донных отложений (а) и из водной толщи (6)

диффундирующего из донных осадков и воды, так и мигрирующего в свободном состоянии (в виде газовых пузырьков). Таким образом, коническая верхняя часть ловушки исполняет роль концентратора газа. Объём воздуха в этой части может меняться из-за повышения или снижения уровня воды под влиянием сгонно-нагонных явлений, поэтому за изменением объёма воздуха внимательно следят и фик­ сируют его величину в момент отбора газовой фазы. Обычно объем воздуха составляет 100-300 см3 Данное оборудование применяет­ ся пока в прибрежных районах водных объектов на малых глубинах (до 25-35 см). Ловушка для устойчивости снабжена крепежными уз­ лами, в которые вставляются направляющие металлические штыри, закрепляющие ее в грунте таким образом, чтобы меледу нижней кромкой ловушки и донными осадками был минимальный зазор. Ло­ вушка устанавливается медленно и аккуратно, чтобы не повредить структуру осадков, при этом силиконовая трубка открыта. После придания ловушке устойчивого положения через некоторое время закрывается трубка и начинается накапливание газа в верхней воз­ душной части ловушки.

Устройство для сбора метана из толщи воды имеет аналогич­ ную форму и представляет собой пластмассовый цилиндр диамет­ ром 160 мм (рис. 736) (с прорезями по бокам для обмена с водной массой), переходящий в верхней части в конус и оканчивающийся патрубком, на который герметично надета силиконовая трубка. Нижняя, открытая часть ловушки снабжена грузами для придания устройству, устойчивости в воде. Ловушка крепилась к плавсредству или мосту (подмостки). Данный тип оборудования можно устанавли­ вать на любых глубинах [253].

Отбор образцов метана из обеих ловушек производится шпри­ цем (объем от 0,5 до 2,0 мл.). Определение количества метана в ловушке рыполнялось методом газовой хроматографии на малога­ баритном переносном хроматографе ХПМ-2. Измерения проводи­ лись через фиксированное время, что позволило получить времен­ ной ход потоков метана.

Расчет величин потока (F) метана (мкг/м2 час) производится по

формуле:
F = М -10000/S Т	(32)

где: М - масса метана в объеме воздуха ловушки (мкг); S - площадь входного отверстия ловушки (см2);

Т-длительность экспонирования ловушки (час); 10000 - коэффициент для пересчета в м2

7.2. Определение потоков метана в Таганрогском заливе, реках Дон и Темерник с помощью накопительных камер

В реке Дон эксперименты были поставлены в районе 29-й ли­ нии г. Ростов-на-Дону на станции Гидрометеорологического техни­ кума. Все замеры потоков, отбор проб воды и донных отложений проводились в прибрежной зоне реки (до 15 м от берега) на четырёх участках с глубинами до 1,8 м (рис.74, табл. 63).

Рис. 74. Месторасположение накопительных камер (ловушек) в реке Дон. 1- ловушка для потока из воды; 2- из донных отложений.

Римскими цифрами указаны номера участков

Участок I. Первый участок является наиболее удаленным от берега, глубина достигает 1,8 м. На этом участке параллельно из­ мерялись концентрация метана в поверхностном горизонте воды и поток метана из водной толщи в атмосферу (рис.75а). Отложения здесь представлены серым до черного песчаным илом, в верхней части с мелкими обломками раковин моллюсков. Концентрация ме­ тана в верхнем 15-см горизонте изменялась в диапазоне 13,4-22,1 мкг/г в.в., при этом максимум зафиксирован в поверхностном 5-см слое.. Содержание метана в воде характеризовалось значительны­ ми суточными изменениями с минимальными величинами в ночной период (51,1 - 64,8 мкл/л). Максимальный пик зафиксирован ближе к вечеру (136,6 мкл/л).

Скорость выделения метана из воды в атмосферу на этом уча­ стке в течение суток, без учёта аномально высокого содержания (64,2 мг/м2 час), зафиксированного в 18 часов, варьировала в диа­ пазоне 2,6-8,0 мг/м2 час, в среднем 3,9 мг/м2 час. Аномальная вели­ чина потока метана (64,2 мг/м2 час) связана с визуально наблюдае­ мым нами (около 18 часов) попаданием в ловушку над водой вы-

	Учас-	Место расположения	Температура	Характеристика донных
	ток		воды, °С	осадков
	I	Расположен в 12-15 м от	25,0-27,0	Серый до чёрного песчаный
		берега, глубина 1,7-1,8 м		ил, сверху мелкие обломки
	II			раковин моллюсков
	II	Расположен в 1,5-2 м от	27,0-28,0	Сверху заиленный тёмно­
		берега, глубина до 0,3 м		серый песок, ниже 5 см мяг­
	III	Расположен в 1,5-2 м от	12,0-15,0	кий чёрный ил с запахом H2S
				Сверху перемытый песок,
		впадения в р. Дон ручья,		ниже заиленный песок с
		образуемого родниковы­		мелкими обломками раковин
		ми водами; глубина до		моллюсков
	IV	0,3 м	о n i Iо
		Расположен в 0,1 - 0,3 м		Перемытый песок
		от впадения в р. Дон ру­
		чья, образуемого родни­
		ковыми водами; глубина
		до 0,3 м

* - в числителе - пределы изменения, в знаменателесреднее значение

Содержание	Поток	Содержание	Поток СН4
СН4 в 0-5 см	СН4 из	СН4 у по­	из воды в
слое д.о.	Д .о .,	верхности	атмосферу,
мкг/г в.в.	мг/м2час	воды, мкл/л	мг/м2 час
22, 1		51.1-136.6*	2.6-64.2
		89,0	3.9
12,7	15.1-606.5	106.3-208.8
	192,3	139,7
0,8	3.2-12.0	40.5-118.9	2.1-3.7
	7,0	85,8	2,8
0,01	0,1	5,6 -6,3	0,1

в*

■ ■ ■■- поток метана из налы

- содержание метана о воде

■■ ■ - поток метана иэд.о. —о— - содержание метана в воде

• ПОТОК ID ВОДЫ ~ • ■ -ПОТОК ИЗД.0. - * содержа!nte метана ■ воде

Рис. 75. Суточный ход содержаний метана в воде и его потоков из донных осадков и воды (р. Дон, август 1999 г.):

а - / у ч а с т о к , б - I I у ч а с т о к , в - I I I у ч а с т о к

рвавшихся из донных отложений нескольких крупных и мелких газовых пузырьков диаметром от менее 0,5 до 4 см. В целом на первом участке между содержанием метана в поверхностной воде и его по­ токами из воды в атмосферу наблюдается тесная связь: увеличение

концентрации метана в воде сопровождается возрастанием скоро­ сти его выделения в атмосферу.

Участок II расположен в 1,5-2 метрах от берега; глубина в точке не превышала 30 сантиметров. Поверхностный горизонт отложений {0-5 см) представлен заиленным тёмно-серым песком, нижний гори­ зонт - мягким чёрным илом с запахом H2S. Содержание метана воз­ растало от поверхностного слоя (12,7 мкг/r в.в.) к нижнему (19,8 мкг/г в.в.). Для второго участка было характерно периодически наблю­ даемое достаточно интенсивное выделение из донных осадков га­ зовых пузырьков различного размера (от совсем маленьких до очень крупных). Здесь была установлена ловушка для замера пото­ ка метана из отложений, параллельно отбирались пробы для опре­ деления его содержания в воде (рис. 756). Экспериментальные за­ меры, начатые на этом участке в 14ю, были прерваны в 2340 после затопления ловушки водой в результате нагона.

Концентрация метана в поверхностном слое воды второго уча­ стка была максимальной и варьировала в течение эксперимента в пределах 106,3-208,8 мкл/л, в среднем 139,7 мкл/л. Изменение ме­ тана во времени, как и в воде первого участка, характеризовалось повышением его содержания в вечерний период (пик 19ю - 20ю).

Скорость выделения метана из донных отложений изменялась в большом диапазоне - от 15,1 до 606,5 мг/м2час. В период интенсив­ ного газовыделения наблюдаемого визуально (с 15ю до 20°°) вели­ чина потока метана составляла 181,3-606,5 мг/м2 час (в среднем 358,9 мг/м2час). В период отсутствия или редкого выделения газо­ вых пузырьков поток метана варьировал в пределах 15,1-41,5 мг/м2 час (в среднем 25,7 мг/м2час).

Участок III. Третий участок расположен в 1,5-2,0 метрах от впа­ дения в реку Дон холодного ручья, образуемого родниковыми вода­ ми. Глубина в точке не превышала 30 см. Поверхностный слой от­ ложений представлен хорошо перемытым песком, ниже песок, слег­ ка заиленный с мелкими обломками раковин моллюсков. Содержа­ ние метана в верхнем пятнадцатисантиметровом слое осадков варьировало в пределах 0,8-3,6 мкг/г в.в., при этом возрастание концентрации метана наблюдается от поверхностного к нижнему го­ ризонту. На данном участке параллельно отбирались пробы для оп­ ределения метана в воде и скорости выделения метана из донных отложений и воды. Экспериментальные замеры проводились не полные сутки (с 19ю до 12ю) (рис. 75в). После 12ю ловушки были передвинуты ближе к берегу (участок IV, см. далее).

Содержание метана в воде третьего участка характеризовалось периодическим возрастанием и снижением его значений во време­ ни. Диапазон изменения составлял 40,5-118,9 мкл/л (в среднем 85,8

мкл/л). Также как и на первом участке наблюдается уменьшение концентраций газа а ночное время, однако минимальные значения были зафиксированы в начальный период постановки эксперимента на этом участке (1900 - 20°°). Увеличение концентрации метана на­ блюдаемое после 20°° часов связано с нагоном более насыщенной метаном донской воды и как результат уменьшением в воде этого участка доли обедненных метаном родниковых вод. Наиболее вы­ сокие концентрации газа в воде зафиксированы ближе к полудню.

Скорость выделения метана из воды в атмосферу на этом уча­ стке была меньше, по сравнению с первым, и варьировала в не­ большом диапазоне - 2,1-3,7 мг/м2 час, в среднем 2,8 мг/м2 час. Скорость выделения метана из донных отложений варьировала в диапазоне 3,2-12,0 мг/м2час, в среднем 7,0 мг/м2час. Минимальные значения потока метана из донных осадков, также как из воды отме­ чались в ночной период. Максимум зафиксирован в полуденные ча­ сы. Между суточным ходом потоков метана из донных отложений и воды и изменением содержания метана в воде в течение суток на­ блюдалась достаточно тесная корреляция. Такая же тесная связь наблюдалась и между величинами потоков метана из воды и из донных осадков.

Участок IV. Как уже отмечалось, после 1200 ловушки с участка III были передвинуты ближе к берегу и в течение часа находились в накопительном режиме. В отложениях этого участка, представлен­ ных перемытым песком, содержание метана составляло 0,01 мкг/г в.в., концентрация газа в воде составляла 5,6 - 6,3 мкп/л. Поток ме­ тана из воды составил 0,1 мг/м2 час. Поток, измеренный в ловушке для донных отложений, также составил 0,1 мг/м2 час. Однако, веро­ ятно, это величина получена целиком за счёт потока метана из во­ ды, поскольку при таких содержаниях газа какие наблюдались в донных осадках этого участка, градиент концентраций на границе раздела дно - вода практически отсутствует, а значит и маловероя­ тен поток из донных осадков в придонный слой воды.

В реке Темерник эксперименты были поставлены на несколь­ ких участках (табл.64), характеризующихся разным уровнем загряз­ нения. Наиболее загрязнённые участки (I и II) расположены в рай­ оне Змиёвской балки, наименее - в районе Северного водохрани­ лища, вблизи дамбы (участок IV). Ловушки для измерения потоков метана на каждом из участков находились в накопительном режиме в течение 1 часа. По окончании экспозиции на участке производили отбор проб для определения накопленного в ловушках метана, от­ бирали пробы воды и донных осадков для определения содержания метана и затем переходили на следующий участок.

Учас­	Место расположения	Температура	Характеристика донных	Содержание	Поток СН4 из	Содержание	Поток СН4 из
ток		воды, °С	осадков	СНд в 0-5 см	Д .о ,	СН4 у по­	воды ватмо­
				слое д.о.,	мг/м час	верхности	сферу, мг/м2
				мкг/г в.в.		воды, мкл/л	час
I	Район Змеёвской балки. Точка	24,2-25,6	Чёрный глинистый	292,7	3600,5
	расположена в 0,5-1,0 м от бе­		мягкий ил с запахом
II	рега; глубина до 0,2 м	19,4-21,0	H2S
	Район Змеёвской балки. Точка		Чёрный глинистый ил	58,4	117,0-476,6	1809,0	242,7
	расположена в 1,5-2,0 м от бе­		с сильным запахом
III	рега; глубина до 0,3 м		H2S
	Точка расположена на уровне	20,5	Тёмно-серый плотный	8,8	6,9	87,4	2,47
	зоопарка в 0,5-1,0 м от берега;		глинистый ИЛ
IV	глубина до 0,5 м	18,0-19,8	Слегка заиленный
	Район Северного водохрани­			0,45	0.3	18,6	0,1
	лища (возле дамбы). Точка рас­		песок

положена в 1,0-1,5 м от берега; глубина до 0,3 м

2 S 2

Для сильно загрязнённых участков реки Темерник (уч. I и II) бы­ ло характерно визуально наблюдаемое очень интенсивное газовыделение из донных отложений. Скорость выделения метана из воды этих участков достигала 242,7 мг/м2 час, из донных осадков варьи­ ровала от 117,0 до 3600,5 мг/м2час, при содержании метана в воде и отложениях соответственно 1809,0 мкл/л и 58,4-292,7 мкг/г в.в.

На менее загрязнённых участках реки Темерник (уч. Ill и IV), где содержание метана в отложениях и водной толще колеблется соот­ ветственно в пределах 0,45-8,8 мкг/г в.в. и 18,6-87,4 мкл/л, скорость выделения метана значительно ниже и составляет 0,3-6,9 мг/м2 час

-из отложений и 0,1-2,47 мг/м2час - из воды.

ВТаганрогском заливе исследования были проведены в рай­ оне Очаковской косы. Замер потоков и отбор проб проводился в прибрежной зоне (глубина до 20-35 см) на двух участках (табл.65).

Участок I. Расположен в 0,5-1,0 м от берега заросшего камы­ шами. Осадки представлены перемытым песком с обломками рако­ вин моллюсков и включениями галечного материала, что обуслов­

ливает невысокие содержания метана в них - в пределах 0,01-0,08 мкг/г в.в. и низкую величину потока из донных осадков. Последний варьировал в пределах 0,00003-0,030 мг/м2час. Содержание метана в водной толще изменялось в диапазоне 10,7-33,0 мкл/л, а его эмиссия из воды в атмосферу протекала со скоростью 0,0002-0,023 мг/м2 час. Суточный ход содержания метана в воде и его потока из воды в атмосферу характеризовался значительной вариабельно­ стью (рис.76а), которая во многом обусловлена изменчивостью гид­ рологического режима и, в частности, влиянием сгонно-нагонных явлений. Так, около 1800 уровень воды стал медленно подниматься - начался приток (нагон) воды, с участков удалённых от берега. Максимальной отметки уровень достиг в 24°°, а первый пик макси­ мума содержания метана в воде исследуемого участка пришёлся на 21-22 часа.

Исследования побережья Таганрогского залива (глубины до 2,0 м; максимальное расстояние от берега 150 м) показывают, что при удалении от береговой линии и увеличении в песках доли мелко­ зернистого материала происходит увеличение содержания метана в донных осадках и водной толще. Притоком с этих участков (при на­ гоне) более насыщенной метаном воды и объяснятся возрастание концентрации метана в воде участка I. Кроме этого, на увеличение содержания метана в воде первого участка, вероятно, повлияло присутствие прибрежных зарослей, камыша, заливаемых водой во время нагона. Наличие большого количества органики и интенсив­ ные процессы её распада способствовали возрастанию концентра­ ции метана в воде изучаемого участка и достижению второго мак-

Участок	Место расположения	Температура	Характеристика донных	Содержание	Поток СН4 из	Содержание	Поток СН4 из
		воды, °С	осадков	СН4 в 0-5 см	д.о., мг/м2час	СН4 у поверх­	воды в атмо­
				слое д.о.,		ности воды,	сферу, мг/м2 час
				мкг/г в.в.		мкл/л
I	Расположён в 0,5-1,0 м	10,8-14,2	Перемытый песок с об­	0,01-0,08	0.00003-0.030*	10.7-33.0	0.0002-0.023
	от берега; глубина до		ломками раковин моллю­		0,010	19,3	0,010
	0,3 м		сков и галечным мате­
II	Расположен возле зо­	10,8-14,2	риалом		0.8-1.83
			Темно-серый заиленный	0,73
	ны крупного скопления		песок с черными вкрап­		1,16
	макрофитов; глубина		лениями разложившейся
	0,3м		органики, местами с ос­
			татками полуразложив-
			шихся водорослей

* - в числителе - пределы изменения, взнаменателе - среднее значение

2.5Л