Умови формування хімічного складу води гірського озера Марічейка (масив Чорногора, Українські Карпати)

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК [551.332.54+556.114 ] (292.452)

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УМОВИ ФОРМУВАННЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ВОДИ ГІРСЬКОГО ОЗЕРА МАРІЧЕЙКА (МАСИВ ЧОРНОГОРА, УКРАЇНСЬКІ КАРПАТИ)

Хільчевський В.К.

Територія України характеризується значною різноманітністю умов формування хімічного складу природних вод - від техногенно-кризових регіонів до фактично не порушених природних комплексів [1].Останні, найбільш поширені у Карпатській гірській країні. У світлі інтенсифікаціїглобальних антропогенних процесів і перетвореньвони мають надзвичайно важливий науковий і практичний інтерес. Зокрема, це стосується гірських озерних екосистем Чорногори (найвищого гірського масиву Українських Карпат), які завдяки своєрідномугенезису, географічному положенню і умовам живлення здатні відображати зміни, що відбуваються на всіх рівнях моніторингу навколишнього природного середовища - місцевого (локального), регіонального, державного і, навіть, планетарного.

Згадки про гірські озера Карпат зустрічаються ще у працях Л. Вайґеля (1880), Г. Запаловича (1881), К. Сігмета (1932), Т. Посевича (1893), Й. Бездека (1905), Г. Козія (1932), К. Кухара (1975). На них звертають особливу увагу дослідники древнього зледеніння Чорногори : Г. Ґонсьоровський (1906), С. Павловський (1915), Ф. Вітасик (1923), Б. Свідерський (1932) [2].

На сучасному етапі вивчення гірських карпатських водойм стосується чотирьох основних аспектів - ландшафтно-геоморфологічного, гідролого-гідрохімічного, гідробіологічного, туристично-рекреаційного - та пов'язано з науковою діяльністю вчених Інституту екології Карпат НАН України, Львівського національного університету імені Івана Франка, Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича та фахівців Карпатського національного природного парку (Карпатського НПП).Ці дослідженнях прямо чи опосередковано торкаються проблематики формування хімічного складу та якості води гірських озер.

Матеріал і методика досліджень.Проведені нами раніше дослідження показали, що хімічний склад води гірських озер Карпат значною мірою залежить від крутизни та експозиції схилів, що відображають вплив мікрокліматичних процесів, а також регіональних орографічних особливостей самого Чорногірського масиву, що виконує роль кліматичного бар'єра [7].

Унікальність кожного окремого гірського озера Українських Карпат вимагає індивідуального підходу до вивчення водойм на об'єктовому рівні. Мета роботи - визначити основні фактори, закономірності та особливості формування хімічного складу води гірських озер Українських Карпат на прикладі окремого озера..

Об'єктом дослідження обрано гірське озеро льодовикового походження Марічейка, що розташоване на північно-східному схилі г. Шурин гірського масиву

Чорногора (Верховинський район Івано-Франківської області). Це є південною частиною території Карпатського НПП.

Предмет дослідження - основні фізико-хімічні показники якості води (прозорість, температура, головні іони та мінералізація, біогенні речовини тощо).

Методика дослідження. В основу роботи покладено результати експедиційних досліджень, проведених фахівцями Карпатського НППу 2017 р. Відбір проб води проводився у літній та осінній сезони- періодиактивізації зовнішніх факторів впливу на озерні екосистеми та динаміки внутрішньоводойменних процесів. Для вивчення просторового розподілу показників температури води, рН та мінералізації води проби відбиралися у приповерхневому шарі по всій акваторії озера у різних точках. Хімічний аналіз води виконано у вимірювальній лабораторії аналітичного контролю та моніторингу Карпатського НПП (м. Яремче Івано-Франківської області).

Результати досліджень та їх обговорення. У процесі проведення детального географічного вивчення гірських озер Карпат першим і найважливішим чинником, що відображає умови прямого впливу на водойму - це контактуючесередовище (геолого-геоморфологічна будова, клімат, рельєф та гідрогеологічні умови). Коротко зупинимося на природних умовах, що характеризують масив Чорногора в Українських Карпатах, на якому розташовано кілька десятків невеликих карових озер, які є прикладом гірських льодовикових водойм на території України.

Природні умови. Геологія. З точки зору геологічної будовитериторія досліджень, як і усієї території Українських Карпат, майже повністю утворена геологічними породами пісковикового флішу. Відповідно до геологічної карти [5] територія озера розташована у межах поширення товстошаровихпісковиків, перешарованих з аргілітами та алевролітами верхнього відділу крейдової системи (сенонський надярус, свидовецька свита).

Клімат. Усі озера гірського масиву Чорногора розташовані у помірно холодній (1250-1500 м н. р. м.) та холодній (1500-2000 м н. р. м.) кліматичних зонах, що характеризуються зміною середніх температур липня від +12°С до + 9 °С, а січня від -10 °С до-12 °С. Внаслідок кліматичних умов, у тому числі через промерзання водної товщі взимку, в озерах Чорногори не водиться риба.

Ландшафти. Сучасний ландшафтно-геоморфологічний малюнок території досліджень сформувався у четвертинний період у результатіерозійної діяльностігірського льодовика. Період так званого плейстоценового зледеніння альпійсько-субальпійського поясу та лісового середньогір'я Карпат знаменувався утворенням низки заглиблень у рельєфі з характерними карами (льодовиковими цирками) різних за розмірами та формами. Один з таких великих цирків нівації площею понад 1 га утворився на південно-східних схилах г. Шурин-Гропа Чорногірського масиву на висоті близько 1510 м.Згодом ця заглибина заповнилась талими льодовиковими, сніговими і дощовими водами; таким чином утворилось озеро, відоме під назвою Марічейка.

Гідроморфологія. Типізація озер за площею дзеркала згідно ВРД ЄС. У зв'язку з підписанням у 2014 р. Угоди про асоціацію між Україною та Європейським Союзом, в практиці управління водними ресурсами України відбувається імплементація положень і нормативів Водної рамкової директиви Європейського Союзу [14], зокрема й тих, що стосуються гідроморфологічної оцінки водних об'єктів.

Згідно ВРД ЄС типізація озер виконується за такими дескрипторами (показниками): висота водозбору; середня глибина; площа водного дзеркала; геологічні породи. При цьому вказується місце розташування озера за екорегіоном (для України - Карпати, Угорська низовина, Понтійська провінція, Східні рівнини).

Розглянемо градації названих вище дескрипторів за ВРД ЄС [14], адаптованих до умов України, при типізації озер.

Озера за площею водного дзеркала:великі - 10-100 км2; середні - 1-10 км2; малі - 0,5-1,0 км2; дуже малі - < 0,5км2.

Озера за середньою глибиною: глибокі - > 15 м; середньої глибини - 3-15 м; мілкі- < 3 м.

Висота водозбору для озер: середньогір'я - > 800 м; низькогір'я - 500-800 м; височина - 200-500 м; низовина - < 200 м.

Геологічні породи для характеристики розташування озер: вапнякові; силікатні; органічні.

Дуже важливим показником для органів управління водними ресурсами (у нашій країні - Державного агентства водних ресурсів України)є площа водного дзеркала озера, яка корелює з об'ємом озера і засвідчує значимість озера у водоресурсному плані. В результаті у сферу інтересу водного менеджментупопадають озера категорій «великі», «середні» та «малі» (типізація озер, інвентаризація, моніторинг тощо). Озера категорії «дуже малі»типізації не підлягають.

Згідно з класифікацією озер за площею водного дзеркала за ВРД ЄС всі гірські озера Чорногори належать до категорії «дуже малі» (площа дзеркала < 0,5 км2). Наприклад, одне з найбільших - озеро Бребенескул, що розташоване на висоті 1793 м н. р. м., має площу дзеркала лише 0,0061 км2.

Навіть Синевир (масив ВнутрішніҐорґани, висота 989 м н. р. м.), яке є найбільшим озером Українських Карпат,має площу дзеркала всього 0,04-0,07км2. Тобто, всі озера Українських Карпат заплощею водного дзеркаланалежать до категорії «дуже малі».

Згідно з класифікацією озер за середньою глибиною за ВРД ЄС всі гірські озера Чорногори належать до категорії «мілкі» (середня глибина - < 3 м). В Українських Карпатах лише Синевир належить до озер середньоглибоких (8-10 м).

Згідно з класифікацією за висотою водозбору за ВРД ЄС всі гірські озера Чорногори належать до категорії озер, розташованих на середньогір'ї (висота> 800 м).

Слід коротко зупинитися на поняттях «високогір'я» та «високогірні озера». У фізичній географії рельєф вважається високогірним на відмітках понад 2500-3000 м. Найвища гора Українських Карпат Говерла має висоту 2061 м. Тому з фізико- географічних позицій можна констатувати, що в Українських Карпатах високогір'я немає. Тому не може бути і високогірних озер.

В той же час, поняття «високогір'я Українських Карпат» обґрунтовано ботаніками для гірських природно-територіальних комплексів, розташованих над природною верхньою межею лісу (1300-2061 м н. р. м.). Так у природоохоронну наукову літературу проникнувтермін «високогірні озера» Українських Карпат, яким позначають водойми, що знаходяться вище 1300 м (наприклад, на масиві Чорногора) [2].

Резюмуючи розгляд основних аспектів типізації озер згідно ВРД ЄС, слід відзначити, що за своїм основним гідроморфологічним параметром - площею водного дзеркала - озера Українських Карпат знаходяться поза межами інтересів водного менеджменту. Але їхня екологічна роль є надзвичайною.

Морфологія озера Марічейка. Досліджуване озеро Марічейка (висота 1510 м н. р. м.) за площею водного дзеркала (0,0039 км2) є другим серед озер Чорногори. Довжина озера - 111 м, ширина - 35 м, середня глибина - 0,8 м, у ямах з донними джерелами - до 1,1 м (морфометричні параметри виміряні нами у 2017 р.). Слід відзначити, що під час досліджень у 1888 р. Т. Вішньовський вказував, що максимальна глибина озера досягала 2 метрів. Сучасне обміління Марічейки пов'язують із руйнуванням загороджувальної морени водами потоку, що витікає із озера [10].

Таким чином, за типізацією ВРД ЄС озеро Марічейка є дуже малим мілким озером середньогір'я Карпат на силікатних породах.

Живлення озера. Основною стабільною прибутковою частиною водного балансу Марічейки є підземне живлення, яке превалює над атмоферним. Низка водних джерел впадаєіз західної, південно-західної та південної сторони озера.Існуютьприпущення про існування безпосередньо у ложі водойми місць розвантаження підземних вод латентного характеру [10]. Вода в озері накопичується і утримується завдяки закритості із зовнішнього боку (східна частина) стадіальною мореною, яка у північній частині прорізана струмком, що витікає з водойми і впадає в р. Погорілець (басейн Пруту). Гідрохімія. Мінералізація води в озері Марічейка у період спостережень була надзвичайно низькою - 23-28 мг/дм3, а вміст сульфатів - 9-18 мг/дм3 (табл.1), що за даними [12] відповідає середньому хімічному складу атмосферних опадів Карпатської гірської країни.Опробування одного з джерел, що живить озеро, показало теж низьку мінералізацію його води - 23 мг/дм3. Така низька мінералізація води підземних джерел, що виклинюються і живлять озеро Марічейка, на нашу думку, пов'язана з процесами фільтрації атмосферних опадів та швидкого водообміну в породах пісковикового флішу, збіднених на хімічні речовин. В результаті, джерельна вода за складом мало відрізняється від атмосферних опадів, які , фактично, живлять їх.

Відповідно до гідрохімічної типізації басейну р. Прут [11], об'єкт досліджень розташований у межах водозбору Гірського Карпатського типу, у якому річкові води мають мінералізацію у межах 100-300 мг/дм3. В цілому ж, отримані значення мінералізації води озера Марічейка співмірні з результатами досліджень карових озер Чорногори, що виконувалися раніше.

Таблиця 1. Хімічний склад води озера Марічейка (масив Чорногора, Українські Карпати) за даними гідрохімічних зйомок у 2017 р.

В роботі [2] наведено матеріали по мінералізації води деяких озер Чорногори, отримані авторами власноруч (2008 р.), а також дані Г.П. Міллера, отримані в 1961 р, та Колодія В.В. і Демидюка М.С., отримані в 1986-1987 рр. Опробування, виконані в різні роки різними авторами, показують достатньо відмінні між собою значення мінералізації озерних вод: Бребенескул - 20 мг/дм3 (1961 р.) і 47 мг/дм3 (1986 р.); Несамовите - 12 мг/дм3 (1961 р.), 18 мг/дм3(1986 р.) і 98,6 мг/дм3(2008 р.); Верхнє Озірне - 26 мг/дм3 (1986 р.) і 106,7 мг/дм3 (2008 р.) [2]. Основний висновок, який можна зробити за цими даними - за п'ять десятиліть відбулося значне зростання мінералізації води в деяких озерах масиву Чорногора (наприклад, у Несамовитому - у 8 разів). Але, як відомо, достовірними можуть бути лише закономірності, встановлені за даними багаторічних рядів спостережень, отриманих на єдиній методичній основі. На жаль, досліджувані об'єкти не входять в державні моніторингові мережі. Тому, на нашу думку, треба бути обережними з висновками у даному випадку.

Притік підземних вод до озера створює помітний вплив на особливості розподілу окремих фізико-хімічних показників у приповерхневій товщі водних мас: у західній і південно-західній частині водойми спостерігаютьсяпонижені температурні показники (інколи до +3,5°С), підвищені значення рН та мінералізації води (рис. 1).

Рис. 1. Розподіл показників у приповерхневій водній товщі по акваторії озера Марічейка (масив Чорногора, Українські Карпати): А) - температура води,°С; Б) значення рН; В) мінералізація води - мг/дм3 (за даними гідрохімічної зйомки 19.10.2017 р.)

Водневий показник (рН). Щодо аналізу водневого показника, то дані попередніх робітпоказали місце більш кислої реакції(низьких значень рН) у заростаючих озерах, до яких відноситься і Марічейка [9]. Результати проведених нами досліджень характеризують озерну воду як «слабко кисла»(рН = 5,5-6,0) і «нейтральна» (рН = 6,5); за осереднену величину нами прийнято рН = 6,0, виміряну у воді струмка, що витікає з озера.

Цілком імовірно, першочерговою причиною просторової мінливості величини рН є наявність у межах озерного водозбору добре розчинного кальциту (кальцитових домішок) [6], що надходить до водойми із поверхневим і підземним стоком і зменшує кислотність води (збільшуючи величину рН). Взаємозв'язок між величинами рН води і вмістом СаО, СаСОз див. у табл. 1.

Твердість води. З вмістом кальцію та кальцієвмісних сполук пов'язана й інша важлива гідрохімічна характеристика - твердість (або жорсткість) води (ТВ). Практичний аспект ТВ визначає його роль у вивченні деяких внутрішньоводойменних процесів, зокрема вже згаданого явища деградації водойми; результати досліджень Г.П. Міллера (1959-1961 рр.) [9] показали, що твердість води нижча у заростаючих озерах, у воді яких менше солей кальцію, а магнію взагалі не виявлено. За показником ТВ (0,20-0,54 мг-екв/дм3) вода Марічейки характеризується як «м'яка». У літній період процеси заростання озера інтенсифікуються і жорсткість води є меншою, у осінній період процеси заростання уповільнюються і, відповідно, величина ТВ має дещо збільшені значення (див. табл. 1).

Біогенні речовини - сполуки азоту. Особливу увагу було звернуто на вивчення вмісту у воді окремих біогенних речовин, зокрема неорганічних сполук азоту: амонію - NH4+; нітритів - NO2-; нітратів - NO3-. За результатами хімічного аналізу проб, відібраних учервні 2017 р., у воді оз. Марічейка було виявлено нітрати (0,87 мг/дм3) при фактичній відсутності амонійного азоту та нітритів. Було розглянуто три гіпотези можливого походження нітратів у воді оз. Марічейка.

Гіпотеза 1. Для визначення ймовірного джерела надходження NO3- виходили з аналізу особливостей його фізико-хімічних властивостей. З точки зору класичної гідрохімії [12] формування нітратів у природних умовах відбувається в основному у результаті двостадійної реакції нітрифікації амонійного азоту під впливом бактерій- нітрифікаторів (сімейство Bacteria Nitrosomonas) в NO2- з подальшим окисненням в нітратні іони під дією бактерій роду Nitrobacter Win. Оскільки NH4+ та NO2-, як зазначалось вище, у воді озера не було виявлено (концентрація нижче чутливості аналізу), тому розглянемо другий варіант генезису NO3- - екзогенне походження.

Гіпотеза 2. Як відомо, у живленні озера Марічейка беруть участь не лише водні джерела (підземні води), а й атмосферні опади (дощові і снігові талі води). Відповідно до кліматичного зонування території Карпатського НПП об'єкт дослідження розташований у нижній межі холодного кліматичного поясу, де середня температура найтеплішого місяця становить менше +10°С, а опадів випадає понад 1500 мм/рік [4].

В гірській зоні Карпат атмосферні опади утворюються в окиснювальних умовах (рН = 5,2). У загальному середньорічна концентрація головних іонів у атмосферних опадах Карпатської гірської країни характеризується значним вмістом нітратів (1,6 мг/дм3) та амонійного азоту (1,41 мг/дм3) [13]. гірський озеро гідрохімічний водойма

Якщо розглянути окремо рідкі і тверді опади, то процес танення снігового покриву є досить тривалим, а в окремі роки на північних схилах Карпатських гір локальні сніжники можуть зберігатися до серпня місяця. Разом з тим, результати нещодавніх досліджень фахівців Львівського державного університету безпеки життєдіяльності [3] показали, що хімічний склад талих снігових вод Чорногори характеризується значним вмістом нітратів - 0,295 мг/дм3 та амонійного азоту - 0,31 мг/дм3.

Нами було відібрано проби снігу біля с. Шибене Верховинського району Івано- Франківської області (940 м н.р.м.), що знаходиться на відстані 3,7 км на південь від Марічейки (16.01.2018 р.). Після танення снігу, утворена вода була проаналізована. Виявилося, що концентрації NO3- та NH4+ у сніговій воді біля с. Шибене дещо відрізняються від отриманих у роботі [3] і становлять відповідно 4,7 мг/дм3 та 0,2 мг/дм3 (табл. 2).

Таблиця 2.Середні значення деяких показників хімічного складу снігу у пробах, відібраних 16.01.2018 р. біля с. Шибене Верховинського району Івано-Франківської області (940 м н. р. м.)

За даними всесвітньої метеорологічної організації (WMO) червень 2017 р., який співпав з періодом проведення польових досліджень на оз. Марічейка, визнано найжаркішим місяцем в історії метеорологічних спостережень на Землі. Проте, це помітно не вплинуло на зміну гідрологічного режиму Марічейки. Так, при температурі повітря + 16°С було виявлено невеликі «острівки» снігу у південно- західній частині озера, що підтверджує важливу роль талих вод у живленні водойми та формуванні її хімічного складу.

Відсутність у воді NH4+ нівелює твердження про стовідсоткове надходження нітратів з талими водами. Тому було розглянуто третій варіант генезису NO3-.

Гіпотеза 3. Викликає інтерес вплив дощових опадів, як джерела надходження нітратів на водозбір озера і пов'язані із грозовою активністю території. Гірські хребти помітно активізують грозову діяльність, оскільки сприяють виникненню потужних висхідних потоків повітря і загостренню холодних фронтів. Якщо в передгір'ях Карпат і в Закарпатті число днів з грозою коливається в межах 35-40, то у гірських районах, до яких відноситься і озеро Марічейка - їх число збільшується до 45 [8].

Перевага нітратів (NO3-) серед неорганічних сполук азоту, ймовірно, обумовлена окисненням атмосферного азоту при електророзрядах в атмосфері та під впливом сонячної радіації; а відсутність нітритів (NO2-) пояснюється їх нестабільністю [12].

Ще у ХІХ сторіччі видатний німецький вчений Юстус фон Лібіх (1827) показав, що розчинені нітрати NO3- у дощовій воді виникають у результаті високотермічної реакції, яка відбувається під час грози з перетворення молекулярного азоту до N0 та подальшим окисненням NO і утворенням азотної кислоти за наступними хімічними реакціями [15] :

N0 + О з ^ N0 2 + О 2, м