Интегральная оценка баланса наносов речной системы р. Лена (РНФ)НИР

Integrated Modelling of the Sediment Budget within the Lena River System

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 22 апреля 2021 г.-31 декабря 2021 г. Интегральная оценка баланса наносов речной системы р. Лена. 2021 год
Результаты этапа: Обоснованы теоретические и методические подходы к изучению баланса наносов бассейнов крупных рек. Предложены количественные соотношения составляющих баланса наносов, характеризующие соотношение процессов поступления, переноса и аккумуляции твердого материала: масштабные коэффициенты, коэффициенты доставки и генетические коэффициенты. Масштабными коэффициентами, или коэффициентами редукции стока наносов, предложено называть отношение объемов перемещаемого грунта в пределах водосбора в результате разных природных и антропогенных процессов к стоку наносов в замыкающем створе. На основе учета концентрирования отдельных химических элементов и соединений в источниках поступления вещества и русловом потоке в замыкающем створе, определен масштабный коэффициент потоков отдельных химических элементов и соединений. Рассмотрены региональные уравнения баланса наносов для бассейна Лены. На основе обобщения доступной гидрометрической информации по бассейну Лены сделан вывод об увеличении поступления наносов к дельте на 6,1 млн т/год после 1988 г по сравнению с предыдущим периодом наблюдений, что связано с ростом водности и мутности воды в летне-осенний сезон. Наиболее вероятной причиной является климатически обусловленное термоэрозионное разрушение берегов, в первую очередь в средней и нижней Лены (ниже устья Олекмы). Для исследования реакции стока Лены в XXI веке на воздействие климатических изменений оценены результаты расчетов по глобальным моделям климатической системы Земли. Выявлены основные количественные характеристики изменения температуры воздуха, количества осадков и дефицита влажности воздуха в среднемноголетнем, среднегодовом и внутригодовом масштабе времени, которые демонстрируют тенденции к росту. Интенсивность этих изменений зависит от изменчивости концентрации парниковых газов до конца XXI века. В среднем, рост температуры воздуха может составить до 43% от базового периода 1960 – 2005 гг., суммы годовых осадков – до 18%, дефицита влажности – до 21%. Выполнен блок полевых работ в среднем (21- 26 сентября 2021 г.) и нижнем (03-07 июля 2021 г.) течении р. Лены и на р. Вилюй (август-сентябрь 2021 г.). По результатам полевых работ отрабатывался ряд новых методических подходов к изучению составляющих баланса наносов крупных рек. Исследовались возможности косвенного измерения распределения мутности в водной толще при помощи акустических доплеровских профилографов течения (АДПТ), которые существенно увеличивают точность расчета расхода взвешенных наносов по сравнению с классическими методами. На этой основе проведены оценки расходов взвешенных наносов по профилям обратного рассеяния для 70 створов средней Лены. Для расчетов был использован программный комплекс ASET – Acoustic Sediment Estimation Toolbox [Dominguez Ruben et al., 2020]. Получена региональная зависимость весовой мутности от оптической, которая является региональным инструментом, позволяющим с достаточной точностью (около 30%) проводить оперативные определения мутности воды на р. Лена. Полевые данные задействованы для разработки региональной модели концентрации взвешенных наносов по спутниковым данным Landsat 8. Использованы разные модели мутности воды, соответствующие разным фазам водного режима: для межени модель параметризована по данным 2016 года (9 июля) для Якутского узла, а для половодья - по данным за период с 20 по 28 июня 2020 г. для участка ниже устья Алдана. В период с 8 по 18 августа и с 28 августа по 8 сентября 2021 г., во время глубокой межени, при расходах 250-350 м3/с, в среднем течении Вилюя и на вилюйских водохранилищах выполнен комплекс гидрометрических, гидрофизических и георадарных измерений, отбор проб воды для определения мутности воды, гранулометрического и химического состава взвесей. Измерениями охвачено 10 гидростворов, измерено 8 расходов воды, отобрано 26 серий проб воды для последующего лабораторного анализа в 2021-2022 гг. На втором этапе отобрано 12 проб воды на всем протяжении Вилюйского водохранилища. На этой основе впервые даны оценки пространственного распределения мутности воды в акватории Вилюйского водохранилища, которая составила 6-7мг/л, увеличиваясь в 1,1-1,5 раз по глубине. В сентябре мутность воды была больше – 7-8 мг/л. В нижний бьеф Вилюйской ГЭС-1,2 сбрасываются воды с такой же мутностью, как и на приплотинном участке. На первых 325 км с объективными ограничениями по эрозии и поступлению наносов с водой притоков увеличение мутности небольшое - в 1,3-1,5 раза (до устья р.Мал.Ботуойбы). Ниже по течению условия пополнения взвесей в потоке улучшаются, и к Крестяху/Сунтару мутность увеличивается до 9-10 мг/л. Для разных пространственных масштабов бассейна Лены выполнены расчеты составляющих баланса наносов. Для развития этого направления даны оценки возможностей применения модификаций эмпирических моделей эрозии (уравнения эрозии почв RUSLE [Renard et al., 1997] и его модифицированной версии MUSLE [Williams, 1975]) для территорий распространения мерзлоты. Показано, что в таких условиях хуже всего параметризации поддается эрозионная способность почвы. Влияние промерзания обладает высокой неопределенностью в существующих моделях: от -20% (для увлажненной почвы) до +1000%. Поскольку основным фактором, через который промерзание почвы влияет на ее эрозионную способность, является перераспределение между поверхностным и подповерхностным стоком, при оценке бассейновой эрозии в условиях промерзания почвы необходимо учитывать поверхностную составляющую стока, т.е. применять модель MUSLE, что будет выполняться на следующих этапах проекта. На данном этапе расчеты склоновой эрозии выполнены на основании универсального уравнения эрозии почв (RUSLE) [Renard et al., 1997], которые характеризуют ее суммарные объемы . В качестве исходной цифровой модели рельефа (ЦМР) задействована база данных Дж. де Ферранти [Ferranti de, 2014]. Средние темпы эрозии на территории водосбора рр. Лена предварительно оценены величиной 5,27 т/га/год, а суммарный объем поступления продуктов дождевой эрозии - величиной 1886•106 т/год. Самые высокие региональные темпы характерны для Казачинско-Ленского района Иркутской области (218 т/га) и Муйского района Бурятской республики (158 т/га). С опорой на методы дистанционного зондирования и глобальные базы данных гидрометрической информации выполнены расчеты объемов поступления продуктов русловой эрозии в среднем и нижнем течении р. Лена (от пос. Малыкан до вершины дельты, на участке в 1800 км). На основе полуавтоматизированного расчета в среде ГИС средних высот берега, глубин и ширин русла, оценено, что в результате размывов берегов на указанном участке Лены в русло поступает 337 •106 т/год грунта. Выполнен крупномасштабный анализ составляющих баланса наносов в четырех из пяти модельных водосборов, отличающихся по особенностям эрозионно-аккумулятивных процессов, типичных для бассейна Лены. Для модельного участка – Водохранилище Вилюйской ГЭС-1,2 (Вилюйское водохранилище), оценена его роль в трансформации стока воды и наносов Вилюя. Информационной основой послужили данные сетевого мониторинга за период до 2019 г., экспедиционные измерения в верхнем и нижнем бьефах вилюйских водохранилищ в августе-сентябре 2021 г., результаты балансовых расчетов по полуэмпирическим формулам. Результаты расчетов показали, что водохранилища заметно сократили сток наносов Вилюя на всем участке нижнего течения вплоть до впадения в Лену. В водохранилище поступает ~22,5 км3 речных вод: 82% в половодье, 16,5% –в летне-осеннюю межень. 75% приходится на верхний Вилюй и северные притоки. Средний сток взвешенных наносов оценен в 200 тыс. т/год: 78,3% - северные реки, включая Вилюй; доля мая, июня, июля-августа и сентября-октября - 46,6, 43,1, 9,1 и 1,1%. Сброс в нижний бьеф 80-90 тыс. т/год, или 40–45% от поступающих в водохранилище взвешенных наносов. Расчеты наносоудерживающей способности по моделям Новикова и Бруна свидетельствуют о том, что, с учетом других источников поступления наносов (в первую очередь абразия берегов) и влекомых наносов, в водохранилище задерживается до 98 % всего поступаемого терригенного материала. Для модельного участка дельты р. Лены, выполнена оценка баланса взвешенных наносов по данным моделирования мутности воды по 50 снимкам LandSAT за период с 1999 по 2019 г. На основе разработанных приемов автоматизированного дешифрирования концентрации взвешенных частиц в воде и картографирования распределения мутности в пределах обширной акватории дельты Лены обнаружено, что в отличие от большинства устьевых участков крупных рек Мира здесь происходит увеличение стока взвешенных наносов. Эрозионный режим дельты объясняется термоденудацией и термоэрозией берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами. Этому способствует отсутствие растительности на поверхности поймы и в русле. В рукавах большего размера интенсивность эрозионных процессов максимальна. Размывы наиболее характерны для левых берегов южной экспозиции субширотно ориентированной Быковской протоки. Единственным аккумулятивным сектором дельты являются малые пойменные протоки Туматского и в меньше степени Оленекского сектора, где в условиях максимального снижения уклонов и увеличения числа мелких проток происходит перехват части поступаемого материала. Для 4-х основных секторов дельты определены средние значения баланса взвешенных наносов для диапазона расходов воды от 17 000 до 72 200 м3/с. На основе учета распределения расходов воды по секторам дельты сделан вывод, что в среднем в дельте на участке от вершины до приустьевой зоны (40 - 60 км от устьевых створов Быковской, Трофимовской и Туматской проток, около 100 км - для Оленекской протоки) происходит увеличение мутности воды и расхода взвешенных наносов на 9.2 %. Концепция интегральной оценки баланса наносов реализована в полной мере для модельного участка р. Лены в районе г. Якутска между Табагинским и Кангаласским мысами. Здесь на основе реализации крупномасштабной пространственной эрозионно-аккумуляционной модели бассейновой эрозии WaTEM/SEDEM привнос наносов бассейнового происхождения в русло с прилегающих участков водосбора оценен величиной 50073 т/год (3.5 т/км2 в год). Объем поступления продуктов размыва берегов на этом участке определяется величиной 10.7•106 т/год. Эти данные сопоставлены с высокодетальными гидрометрическими измерения баланса наносов (70 створов измерений на участке в межень - сентябрь 2021 г.). Выявлено продольное увеличение расхода взвешенных наносов (6009 т/сут), формируемое продуктами русловой эрозии и, возможно, техногенными взвесями от хозяйственной инфраструктуры г. Якутска. Вклад бассейновой эрозии в сток наносов в межень составляет менее 5 %. Значительная часть продуктов размыва берегов (более 90 %) переотлагается в русле. С использованием космических данных выявлено, что баланс наносов на исследуемом участке имеет сезонный режим. Наносы преимущественно аккумулируются в пойменно-русловом комплексе в периоды повышенного стока, что приводит в это время к продольному снижению стока наносов на бесприточных участках рек. В межень достоверно прослеживается увеличение мутности воды на перекатных участках, что связано с их размывом. Эти процессы определяют сортировку механического и химического состава взвешенных и влекомых наносов в пределах пойменно-руслового комплекса р. Лены. Проведенный пространственно-временной анализ концентраций наиболее важных химических элементов (Li, Al, Ca, V, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Mo, Sb, Ba, Pb, Bi, U) в растворенной и взвешенной форме показал, что наибольшая вариабельность значений характерна для растворенных Zn, Al, Mn, As и взвешенного Mn. Установлена преобладающая форма миграции химических элементов для среднего и нижнего течения Лены: в растворенной форме мигрируют в основном Ca, Sr, Sb, Mo, Pb, U, Cu, а во взвешенной – Al, Mn, Bi, Zr, V, Zn.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Интегральная оценка баланса наносов речной системы р. Лена. 2022 год
Результаты этапа: С помощью сценариев хода региональной температуры воздуха и количества осадков, которые могут быть оценены на будущее только с помощью моделей общей циркуляции атмосферы, получены проекции возможных изменений речного стока в бассейне Лены до конца XXI века. Согласно проекциям, сток будет расти, причем этот рост неравномерный в зависимости от концентрации парниковых газов. Выполнен сравнительный корреляционный анализ основных свойств почвы определяющих ее смываемость в двух базах данных SOILGRID.org и Единый государственный реестр почвенных ресурсов. На основе данных ЕГРПР создана векторная карты смываемости почв водосбора р.Лены. Обобщенная интегральная оценка баланса наносов на всю территорию водосбора Лены показала, что в современных гидроклиматических условиях бассейн Лены представляет собой область аккумуляции, темпы которой значительно превышают объемы выноса за пределы речного бассейна. При стоке наносов (взвешенных и влекомых) в устье (вершина дельты) 38.6 •106 т/год, лишь около 3 % продуктов бассейновой эрозии и около 10 % русловой эрозии достигает устья р. Лены. Выполнен анализ трансформации климатических факторов стока наносов, актуальных для большей части бассейна р. Лены, расположенной в зоне вечной мерзлоты. Обнаружен восходящий тренд температуры воды за 1990-2019 гг. с величиной от 0,2 до 0,8оС/10 лет и выше. В зону с наибольшим нагревом речных вод (ΔT>1оС) попадают левобережье нижней Лены, крайне западные районы и нижняя часть бассейна р.Вилюя с Центрально-Якутской равниной, северная часть Приленского плато с низовьями р.Алдана. В колебаниях годового стока изменения отмечаются с конца 1980х – начала 1990х годов в западной части бассейна (переломные годы 1988 и 1990/1994 гг.) и с середины – второй половины 1990х гг. (единый год 1996) в юго-восточной части бассейна. Пространственная привязка всех оцененных изменений температуры и расходов воды, теплового стока, сопоставление их между собой с учетом их величины, характера современных трендов позволили в первом приближении определить границы районов в бассейне р.Лены с наиболее благоприятными гидрологическими условиями к активизации размыва речных русел и увеличению стока наносов руслового генезиса. Детально исследованы пространственные закономерности развития бассейновой и русловой эрозии. Определены величины размыва речных берегов нижних 1800 км Лены, нижней части бассейнов Вилюя и Алдана, включая их крупные притоки, такие как Марха, Тюнг, Амга, создан задел для расчета объемов поступления наносов на этих участках. На участках широкопойменного русла р. Вилюй за период с 1984 по 2021 г. средние масштабы размыва определены величиной 600 до 1200 м. На р.Марха сопоставимые с нижним Вилюем скорости многолетнего размыва, несмотря на существенно меньшие (в несколько раз) расходы воды – от 40 до 400 м. В низовьях р.Тюнг скорости эрозии не превысили 100 м на 100 км, что можно объяснить меньшей водностью этой реки, в сравнении с Мархой. На р.Алдан обнаружены сопоставимые с Вилюем и Мархой скорости эрозии. Они увеличиваются ниже слияния рр. Алдан и Амга – с 190-730 до 460-1260 м на 100 км. Причем на Амге они близкие по своей величине – в диапазоне 200-280 м на 100 км. Определена структура русловой составляющей стока наносов. Так, в расширениях Лены 48% от общего объема продуктов размыва связана с деформациями островных массивов, в то время оставшиеся 52 % равномерно распределены между левым и правым берегом. На примере модельного участка р. Лены показано, что русловая эрозия приводит к поступлению 19,6–36 кг в год органического вещества с квадратного метра размываемого берега. На основе адаптации данных реанализа ERA5-Land с привлечением многолетних мониторинговых данных на метеостанциях Тикси и Кюсюр установлено, что плановые переформирования речных русел в районе дельты Лены могли претерпеть изменения за счет влияния метеорологических факторов, так как температура воздуха, количество осадков и солнечная радиация. Значительное и достоверное изменение исследуемых показателей произошло в начале 21 века, что могло спровоцировать интенсификацию термоэрозионной составляющей дельты, сложенной многолетнемерзлыми породами. Фиксируются значимые изменения температуры воздуха начались в 2004 году, величина тренда за период с 2004-2021 составила +1,89°C/10 лет; максимальные изменения наблюдаются в южной части дельты – в районе Оленекской и Быковской проток. Изменения в потоке солнечной радиации приурочены к 2004 году, величина линейного тренда за исследуемый период составила +7,00% /10 лет. Максимальные изменения отмечены в южной части дельты – участок главного русла до разветвления у острова Столб. Значимых изменений по количеству осадков статистически не обнаружено. Изменения в скорости и направленности русловых переформирований, связанные с климатическими изменениями, а конкретно с изменениями температурного фактора, более вероятны в июне, в период прохождения половодья и интенсификации береговых размывов, а также в августе. За эти месяцы установлены наибольшие по величине тренды до 3,5 ℃ /10 лет Проведена количественная оценка стока наносов с территории модельного водосбора одного из ключевых водосборов, характеризующих сельскохозяйственное освоение территории - р.Большая Черепаниха. Построена картографическая модель интенсивности эрозионно-аккумуляционных процессов. В результате проведенных расчетов было установлено, что за период с 1966-1985 по 1986-2021 произошло более чем двух кратное сокращение стока наносов с водосбора в реку (с 5162 т /год до 2444 т/год). Наблюдающаяся динамика совпадает по направлению с динамикой изменения стока наносов в реке Большая Черепаниха. Результаты проекта представлены на международном вебинаре World Large River and Delta Systems, from Source to Sink (https://meas.ncsu.edu/sealevel/s2s/talks.html), международной площадке экспертов по тематике изучения стока наносов больших рек и их дельт. Запись выступления С.Р. Чалова «Sedimentation patterns from the headwaters to the delta of the Lena River» доступна по ссылке https://youtu.be/HM3O1cpGm3A. В рамках проекта создана программа "Sediment Load" и получено свидетельство о ее регистрации (https://istina.msu.ru/certificates/446961896/). Программа предназначена для моделирования распространения взвешенных веществ по речной сети ниже техногенных источников поступления. Она используется для сценарных оценок, связанных с влиянием горнодобывающей деятельности на сток наносов в бассейне Лены.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Интегральная оценка баланса наносов речной системы р. Лена. 2023 год
Результаты этапа: 1. На третий год выполнения проекта создан набор численных инструментов, позволяющих решать задач интегральной оценки баланса наносов бассейна Лены: модель интенсивности эрозионно-аккумуляционных процессов и стока наносов в реки c водосбора Лены на базе программного комплекса WaTEM/SEDEM; модуль бассейновой эрозии в гидрологической модели с распределенными параметрами ECOMAG; модель суммарной (талой и дождевой) эрозии бассейна Лены; гидродинамическая модель STREAM 2D для Якутского водного узла; геоинформационная модель русловых деформаций крупнейших широкопойменных рек бассейна Лены, в том числе укрупненная модель для дельты Лены; эмпирическая модель формирования средней мутности воды. Созданная модель интенсивности эрозии с учетом аккумуляции части смытого материала в пределах водосбора р. Лены показывает, что в среднем водосбор характеризуется значениями потерь почвы 0.57 т/км2, в пределах горной части интенсивность смыва с водосбора в среднем составляет 1.2 т/км2, в пределах равнинной части не превышает 0.1 т/км2. Таким образом, можно сказать, что сток в реки с территории водосбора продуктов эрозии в пределах равнинной части от выпадения дождевых вод составляет около 112 000 т, а в пределах горной части около 1 270 000т, всего в среднем за год в реки поступает 1 382 000 т. Установлено, что в пределах водосбора р. Лены эрозионными процессами охвачено около 50 % территории, на остальной территории преобладают процессы аккумуляции, либо они заняты гидроморфными почвами. Завершено создание модуля расчета бассейновой эрозии в структуре программного комплекса ECOMAG. Для оценки интегрального баланса наносов бассейна Лены была проведена подготовка исходных данных для расчета модифицированного универсального уравнения почвенной эрозии (MUSLE). Подготовка включала оценку почвенных и ландшафтных характеристик поверхности водосбора для расчета коэффициентов модели MUSLE. Полученная эмпирическая модель средней мутности основана на статистически достоверной связи особенностей стока взвешенных наносов и максимального эрозионного потенциала осадков и свидетельствует о важнейшей роли осадков в формировании стока взвешенных наносов в период открытого русла в бассейн Лены. 2. Дана интегральная оценка баланса наносов бассейна Лены. Она основана на определении эрозионного потенциала и доставки наносов с водосбора по эрозионно-аккумулятивной модели и определении массы материала руслового происхождения, поступающего в русловую сеть Лены, по геоинформационной модели русловых деформаций. На р. Лене масса поступления грунтов руслового происхождения оценивается в 490 Мт/год на 1800 км русла. Это на порядок превосходит аналогичные цифры крупнейших притоков Лены (Вилюя – 23.9 Мт/год (1200 км), Алдана – 29.9 Мт/год (800 км). Притоки Вилюя имеют эрозию 12.1 Мт/год (р. Марха, 800 км) и 0.8 Мт/год (р. Тюнг, 300 км). Приток Алдана, р. Амга имеет массу русловых деформацию в 6.42 Мт/год на 500 км русла. Среднее значение скорости отступания берега по всем 6 рекам составляет 0.8 м/год. Наибольшая скорость отступания берега у Лены (1.25 м/год), наименьшее значение у Тюнга – 0.45 м/год. Значения массы наносов, рассчитанные по эрозионно-аккумулятивной модели WATEM/SEDEM, согласно которой лишь 1.38 Мт/год наносов бассейнового происхождения поступает к дельте Лены с бассейна (т.е. около 3 % от стока наносов, а при учете талой эрозии – около 5 %). Использование этих данных позволяет сделать вывод, что менее 10 % продуктов размыва берегов переносится со стоком Лены. Все это свидетельствует о преобладающей роли русловой эрозии в формировании стока наносов. Также преобладание вклада русловой эрозии в сток наносов, хотя и менее выраженное, получено при применении методики расчленения стока наносов бассейновую и русловую составляющую по данным о гранулометрическом составе взвесей. Это позволяет обосновать вывод, что в современных гидроклиматических условия бассейн Лены представляет собой крупную область аккумуляции, где лишь малая часть продуктов бассейновой (около 1%) и русловой (около 10%) эрозии переносится в составе наносов, задерживаясь на междуречных пространствах и в руслах рек, соответственно, а итоговый сток наносов формируется преимущественно за счет русловых деформаций. 3. Сценарные оценки пространственно-временных закономерностей формирования составляющих баланса наносов для среднего и нижнего течения Лены позволили охарактеризовать основные закономерности баланса наносов. Гранулометрический состав взвешенных наносов в р. Лене представлен двухмодальным типом распределения фракций, граница между русловой и бассейновой фракциями находится в диапазоне 24-30 мкм. В протоках доля бассейновой фракции составляет в среднем 46%, в основном русле она меньше – 39%, при этом максимальная доля приходится на поверхностные слои (до 48%). Доля фракций 75 мкм и 150 мкм в русле реки на 3-9% выше, чем в протоках. Анализ траекторий эволюции 414 островов средней Лены в период с 1993 по 2021г показал, что мерзлотные острова испытывают размыв больший, чем немерзлотные острова. Средняя скорость размыва немерзлотных островов составляла на участке 0,09 м/год, а средняя скорость размыва островов, имеющих в основании мерзлоту - 0,35 м/год, т.е. в 3,8 раз сильнее. В процентном отношении, в период с 1993 по 2021 г. в случае не мерзлотных островах в среднем для каждого острова порядка 9% площади острова было размыто, в случае мерзлотных островов данная статистика составляет 14,3%. Методами многомерной статистики предложены уравнения, позволяющие определять характеристики динамики островов и берегов средней и нижней Лены по данным о морфологических и гидравлических характеристиках русла. Оцененный объем поступления материала в результате руслового размыва составил 0,98 км3, что соответствует массе, равной 1965 млн. тонн за период с 1999 по 2020 год. Объем русловой эрозии в разы превышает сток наносов на постах в Табаге и Кюсюре, что также на локальном уровне подтверждает вывод о существенном вкладе размыва берегов в сток наносов. 4. В 2023 г. подготовлена база данных по месячным, годовым и максимальным значениям мутности воды и расходам наносов на 96 постах в бассейне р.Лены, за период с 1935 по 2021 гг.; для 48 постов отсутствующие расходы восстановлены, ряды удлинены. Построено несколько карт, иллюстрирующих характер распределения постов по территории бассейна с учетом порядков рек, продолжительности и современного состояния наблюдений, степень согласованности многолетних колебаний стока воды и наносов. Получены результаты анализа возможных инструментально-методических нарушений в сборе данных по стоку наносов на гидрометсети в бассейне Лены, идентифицированы 9 причин появления ошибок в данных, способных нарушить их временную однородность. Это ошибки в расходах воды и неполный учет стока воды и наносов, проходящих по пойме, протокам; инструментальные и методические ошибки при измерении, расчете расходов наносов и мутности воды, недостаточное количество самих измерений, особенно начиная с 1990-х гг., измерения мутности всего один раз в сутки, малые навески на фильтрах; использование неверного коэффициента для перехода от единичной к средней мутности; изменение методики расчета расходов наносов, или применение для одного поста разных методик, имеющих разные пределы точности; перенос поста, гидроствора или вертикали отбора проб воды. Установлено, что качество данных с 1990-х гг. ухудшилась, но оно не объясняет, почему у 39% постов с 1990-х гг., на фоне явного увеличения водности рек, фиксируется резкое сокращение стока наносов, у 30% постов есть слабые различия. Данные по стоку наносов позволили провести комплексный анализ временной изменчивости его характеристик, построить серию соответствующих карт (переломных лет, величин изменений мутности и расходов наносов, величины и знака трендов, средней мутности воды рек за 1971-1992 и 2000-2021 гг., и др.), выявить пространственные закономерности многолетних колебаний. На 80% постов обнаружено сокращение стока наносов: у 42% постов оно превысило 50%, - но положительными изменениями охвачены среднее и нижнее течение р.Лены, бассейн р.Олёкмы, ряд др. территорий. В бассейне примерно 5 зон с характерными изменениями. 45% постов демонстрирует в 1993-2021 г. незначительный, а 22% - существенно положительный тренд. 3% постов фиксируют уменьшение мутности >50 г/м3, 15% - на 25-50 г/м3, 21% - на 10-15 г/м3, 42% - на 0-10 г/м3; 18% постов показывают положительные изменения. Получены оценки величин мутности за разные периоды, проведено их сравнение с материалами известной «Карты средней мутности рек СССР» из ВСН 01-73. В 2023 г. завершена работа по созданию базы данных (по сути, это многослойная ГИС) по разрабатываемым месторождениям полезных ископаемых (почти 200), способным влиять на сток наносов рек, c информацией по их местоположению, структуре, типу сырья, размерам и началу эксплуатации. С ее помощью и другими методами установлено, что 57% постов может находиться в зоне влияния горной добычи, причем в 24% случаев довольно значимого. Подробно изучены аспекты развития горнодобычи в подбассейнах нижней Лены, способные нарушить естественный сток наносов Лены в море, ее отраслевая структура и география, затронутые ее воздействием водосборы, выполнен анализ и сравнение многолетних колебаний стока наносов с характером изменений водного и термического режима рек, состоящем в увеличении водности рек и ростом нагрева речных вод, что отражено в отчете за 2022 г., а также впервые с динамикой недропользования. Путем обоснования многофакторных зависимостей между стоком наносов и его гидрологическими факторами (месячными и характерными величинами расходов и температуры воды, тепловым стоком) оценено, что в среднем течении и низовьях Алдана годовой сток наносов в 2000-2020 гг. должен бы быть больше соответственно на 82 и 135-155%, по сравнению с фактическими значениями. В низовьях Вилюя влияние алмазодобычи перекрывается снижением стока наносов водохранилищами, но не в случаях техногенных аварий на месторождениях, шлейф от которых может распространяться до плотины Светлинской ГЭС ниже Мало-Ботуобинского района, и, вероятно, даже до устья Вилюя – ниже Далдыно-Алакитского и Средне-Мархинского алмазодобывающих районов. Определенные выводы получены и по другим постам и рекам бассейна, но не все факты сильного уменьшения стока наносов удалось связать с горнодобывающей деятельностью и ее сокращением с 1990-х гг. 5. Завершено создание укрупненной интегральной оценки баланса наносов модельного участка р. Лены (50-километровый участок около г. Якутска). Русловая эрозия была оценена на участке в 50 км (2,7% анализируемого участка русла в 1800 км). Данный участок русла представляет собой широкопойменное разветвленное русло. Водосборная площадь данного участка русла имеет площадь 16 179 км2 (0,65 % всего водосбора Лены). Средняя водосборная эрозия на данном участке составляет 0,4 т/га в год. Таким образом, учитывая то, что русловая эрозия на участке (1993 – 2021) составляет 4,8 Мт/год, можно говорить о том, что в современных условиях русловая эрозия превышает значения почвенной в 7 раз, т.е. русловая эрозия здесь 89%, а почвенная 11% от суммарной эрозии. Ранее выполненные гидрометрические и дистанционные наблюдения на этом участке, вошедшие в отчеты 1 и 2 года, подтверждают эти численные расчеты. Таким образом, на локальном уровне подтверждается преимущественная роль русловых деформаций в формировании стока наносов. Кроме этого, на основе гидродинамической модели Steram2D на 70 км участок между Табагинским и Кангаласским мысами были воспроизведены фактические деформации русла за 2009 -2016 г. По результатам верификации, критерий соответствия NSE модельных и фактических уровней по г.п. Якутск превышает 0.9, расхождение затопленных площадей с космическими снимками для периода открытого русла не превышает 10%, в более 70% расчетных ячеек совпадает направленность русловых деформаций. На этой основе было проведено сценарное моделирование русловых деформаций на основе 20-летнего гидрографа, с учетом современных рядов расходов воды, дополненного расходом 1% обеспеченности в одно из половодий. Приведены результаты моделирования изменчивости перераспределения стока воды в пределах основных разветвлений Якутского узла с прогнозом на 20 лет. 6. Создана укрупненная интегральная оценка баланса наносов взвешенных наносов дельты Лены. Выполнены балансовые оценки взвешенных наносов за период с 2000 по 2022, согласно которым баланс взвешенных наносов дельты увеличивается до 2,4%, что составляет 0,4 млн т год. Три из четырех магистральных рукавов (Быковская, Оленекская и Туматская) характеризуются преимущественно аккумулятивным режимом, один (Трофимовская протока) – эрозионным. Большая водность именно Трофимовской протоки (65 % от общего стока, поступающего в вершину дельты) определяет общее увеличение стока наносов в пределах дельты: на участках «вершина дельты – магистральные рукава». Рассчитан годовой сток взвешенных наносов на выходе из рукавов, который равен 20,8 млн т год. Данные оценки характеризируют условия летнего половодья, спада половодья и летне-осенней межени, на которые приходится 95% от годового стока взвешенных наносов р. Лена в замыкающем створе. Продольное увеличение мутности связано с возрастанием среднесуточных температур воздуха и температуры почвы на поверхности и глубине 0,75 м. Термическое влияние приводит к разрушению берегов и формированию мутьевых потоков и выносу большого количества взвешенных наносов, который прямо сказывается на балансе взвешенного вещества. Преимущественное влияние температурных факторов установлено для участков Трофимовской и Оленекской проток, берега которых сложены ледовым комплексом. При возрастании расходов воды наблюдается продольное увеличение мутности воды вследствие большей размывающей способности потока. Данная закономерность обусловлена как отсутствием растительности на поверхности поймы, так и термоэрозионным размывом мерзлых льдосодержащих берегов. Влияние русловых деформаций на баланс взвешенных наносов прослеживается в соответствие с зонами максимальных размывов и участков продольного увеличения мутности. Так, в пределах сектора Трофимовской протоки установлены максимальные интенсивности и площади размывов, которые совпадают с зонами увеличения мутности. Получены уравнения тенденции, отражающие связь изменения мутности воды с увеличением площади размыва на участке Трофимовской проток. Установлено, что возрастание мутности в рукавах дельты обусловлено совокупностью метеорологических (температура, осадки, ветер, радиация) и местных (боковая приточность) факторов. Гипотеза климатически обусловленного убыстрения разрушения берегов в дельте Лены проверялась на основе анализа изменений темпов русловых деформаций за два периода: с 1964 по 2000 гг. – охвачено 36 лет, и с 2000 по 2021 гг. – охвачен 21 год. Средняя скорость горизонтальных деформаций в дельте (19 ключевых участков) увеличилась с 1.47 м/год до 2.87 м/год. Относительное увеличение темпов переформирований составляет 154%, с увеличением до 335% на участке Оленекской протоки, где скорости отступания берегов в период с 1964 по 2021 гг. составляли 0.55 м/год, а в период с 2000 по 2021 гг. увеличились до 1.83 м/год. На максимальном по скорости отступания берегов дельты Лены - о. Собо-Сисе в Трофимовской протоке - скорости отступания увеличились с 9.26 м/год до 10.73 м/год.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".