Реакция речного и подземного стока на климатические изменения: от засушливых бессточных районов Китая до увлажненных бассейнов российской субарктики.НИР

Streamflow and groundwater responses to climate changes: insights from dry Chinese inland to humid Russian Subarctic basins

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 7 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Реакция речного и подземного стока на климатические изменения: от засушливых бессточных районов Китая до увлажненных бассейнов российской субарктики.
Результаты этапа: В отчетный период исследования выполнялись по двум направлениям: А)региональный анализ наблюдаемой изменчивости стока в бассейнах рек Дон, Северная Двина, а также Оби, Енисея и Лены Б) обоснование геогидрологических моделей выбранных ключевых объектов Методика региональных исследований включала создание баз данных о поверхностном стоке, осадках и температур, выбор в пределах бассейнов Дона и Северной Двины репрезентативных ненарушенных водохранилищами стоковых рядов протяженностью пятьдесят и более лет, расчленение гидрографов при помощи программного комплекса – GrWat и анализ пространственно-временной закономерности рядов общего, базового и минимального стока и анализ связи характеристик стока с влагозапасами , полученными с помощью дистанционного зондирования GRACE в 21 веке. Методика исследований на локальных объектах включала сбор и систематизацию материалов, проведение полевых исследований для разработки геогидрологической модели бассейна реки Ваймуги и актуализации моделей балки Таловая и нижнего течения реки Хейхе. Основные полученные результаты: Бассейн р. Северной Двины: На основе выбранных 28 репрезентативных створах показано, что для большей части рек бассейна Северной Двины наблюдается тенденция к слабому снижению максимальных расходов воды в пределах 5-10 % в сравнении с периодом 1945-1977 годов и сдвигу дат прохождения максимальных расходов воды на 1-2 дня. Минимальный месячный зимний сток в среднем увеличился для рек бассейна Северной Двины на 21%. Увеличение минимального летне-осеннего стока рек бассейна Северной Двины мене выражено и только для 8% постов статистически значимо. В целом для бассейна, величина подземной составляющей стока, рассчитанной по методу Куделина, увеличивается в сравнении с референтным периодом. Бассейн р. Дон: Расчленение и обработка стоковых данных по 51 репрезентативному створу в этом бассейне показали, что увеличение среднего меженного стока (за XI-II, VI-X) по сравнению с базовым периодом (1946-1978 гг.) характерно практически для всех анализируемых створов и составляет в среднем 71%. При этом минимальный месячный зимний сток в среднем увеличился для рек бассейна Дона на 113%, а изменения стока весеннего половодья за последние 50 лет характеризуются повсеместным уменьшением объемов на 20-40%. Максимальные расходы воды проходят раньше. Наиболее существенные изменения отмечаются в верхнем и среднем течении р. Дон (до 13-15 суток), на остальных реках от 2 до 8 суток. Результаты анализа связи влагозапасов, полученных с помощью Grace со стоком в 21 веке. Проведен анализа сезонной и внутрисезонной изменчивости влагозапасов TWS (terrestrial water srorage) в бассейнах Северной Двины и Дона и связь этих компонент динамики влагозапасов со стоком. Получены экспоненциальные регрессионные уравнения связи общего и базового стока с величиной TWS для обоих бассейнов. Бассейны Оби, Енисея и Лены: На основе анализа данных о стоке рек, температур воздуха и динамики активного теплового слоя в этих трех крупных бассейнов Сибири во второй половине 20 и начале 21 века подтверждена взаимосвязь между потеплением климата, деградацией вечной мерзлоты и подземным стоком на потепление климата в этих бассейнах. Для дальнейшего анализ временных рядов стока разработана методика автоматизированного расчленения гидрографов на основе нового метода двухпроходной цифровой фильтрации суточных расходов малых и средних рек, позволяющий разделить общий сток на быстрый сток (Quick flow) и медленный (Base flow). А в медленном стоке выделить отдельно его грунтовую составляющую. Для реализации этого метода обоснована методика оценки параметров цифровой фильтрации и написана программа расчленения временных рядов. Результаты исследований на ключевых объектах: В результате сбора и актуализации имеющейся информации и проведения полевой гидрометрической сьемки обоснована геогидрологическая модель бассейна р. Ваймуга, подготовлены стоковые и метеорологические данные для ее калибрации и ретроспективного моделирования Проведена ревизия и корректировка разработанной ранее геогидрологической модели балки Таловой. В результате: a) увеличена площадь модели путем включения в нее всего бассейна балки b) выполнен перевод модели на новую версию моделирующей системы, включающей наш программный код Surfbal для генерации условий на поверхности земли и новую версию программы Hydrus for Modflow. c) в Surfbal включен блок, учитывающий многолетнюю динамику водопотребления растительностью в период 1890-2020 гг за счет увеличения возраста лесополос, посаженных в начале 20 века d) уточнены гидрофизических характеристик и проницаемости почвы на лесных и степных участках балки Таловая. Для модели нижнего течения р.Хейхе получено, что использование данных о данных о эвпотранспирации, полученных при помощи MOD16 за 2008, 2015-2018 гг. позволило в условиях недостатка информации об уровнях подземных вод повысить обоснованность геогидрологической модели.
2 7 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Реакция речного и подземного стока на климатические изменения: от засушливых бессточных районов Китая до увлажненных бассейнов российской субарктики.
Результаты этапа: А. Региональный анализ Бассейн Дона Установлено, что главенствующие группы факторов формирования стока претерпевают изменения с увеличением площади водосбора. На небольших водосборах в бассейне Дона и Хопра основную роль играют глубина промерзания и зимние морозы, в нижнем течении на первый план выходят влажность почвы и скорость стаивания снежного покрова. В бассейне Медведицы с ростом площади водосбора группы факторов остаются прежними, однако значимость параметров внутри групп меняется. Важным фактором, обуславливающим изменения минимального зимнего стока рек бассейна Дона, является рост температуры воздуха за зимний период, в свою очередь вызывающий оттепели и увеличение жидких осадков [Фролова и др., 2022]. Бассейн Северной Двины Для бассейна Северной Двины было выявлено, что наиболее значимыми предикторами является сумма осадков и средняя температура воздуха за отдельные месяцы. После проведения пространственного анализа было выявлено, что распределение наиболее влияющих месяцев по территории бассейна неравномерно и условно распространяется на несколько районов. Бассейны рек Восточной Сибири В результате анализа стоковых рядов получено, что зимний сток рек Лена, Колыма увеличился с 1980-2019 гг. примерно на 43% и 72% (в 1,7-5,2 раза больше, чем увеличение годового стока), соответственно. При этом деформируется форма гидрографа зимнего стока. В целом, скорость увеличения стока наибольшая в начале зимы, меньше в середине и конце зимы. Сток в конце зимы особенно чувствителен к изменениям температуры воздуха, и, возможно, деградация вечной мерзлоты. В отличие от расходов стока конца зимы , более высокие темпы увеличения стока начала зимы могут быть в основном объяснены дополнительным влиянием повышенного количества осадков в конце лета на формирование стока. Различные темпы изменения зимнего стока речных бассейнах в значительной степени определяются деградацией вечной мерзлоты и связанными с ней процессами меняющими формирования стока. В условиях потепления климата формирование зимнего стока тесно связано с интенсификацией гидрологического цикла, который проявляется как на поверхности, так и в деятельном слое [Shiqi Liu et, all 2022]. Сопоставительный анализ расчленения гидрографов по методу Куделина и метода двухпроходной цифровой фильтрации с использованием естественных и модельных рядов стока Исследование на эталонном водосборе реки Жиздра для которого построена геогидрологическая модель формирования подземного стока, откалиброванная по представительному ряду наблюдений за стоком на посту Жиздра-Козельск с 1958 по 2016 годы показало, что предложенный метод расчленения гидрографа дает меньшие значения среднегодового подземного стока, чем традиционный метод генетического анализа гидрографа, использующий подход Куделина. Однако, сравнение результатов расчленения с геогидрологической моделью показывает, что двухпроходная цифровая фильтрация хорошо выделяет именно русловую разгрузку подземных вод, то есть тот подземный сток, который происходит по водоносным пластам за счет инфильтрационного питания на водоразделах, а не формируется в речной в речной долине за счет близкого залегания уровня. При этом и геогидрологическая модель и метод двухпроходной цифровой фильтрации дают схожую внутригодовую форму гидрографа разгрузки подземных вод в гидросеть. Тренды в увеличении подземного стока во второй половине 20 го и начале 21 века при расчленении гидрографа и моделировании оказались сопоставимыми и составили 0.4-0.6 мм в год. Таким образом подтверждено, что предложенная теоретическая модель цифровой фильтрации гидрографа рек для выделения подземного стока [Pozdniakov et al, 2022] позволяет выделять подземных сток, сформированный на площади водосборного бассейна B. Исследования на ключевых объектах Бассейн реки Ваймуга На основе ретроспективного моделирования проведена калибрация полномасштабной геогидрологической модели бассейна р. Ваймуга, объединяющей процессы формирования подземного и речного стока бассейна путем сопряжения геофильтрационной модели подземного стока и ландшафтно-гидрогеологических моделей условий формирования водного баланса и инфильтрационного питания подземных вод По результатам калибрации достигнуто удовлетворительное соответствие модельных и фактических расходов р. Ваймуга по опорным створам. Таким образом разработанная геогидрологическая модель бассейна р. Ваймуга отражает природные пространственно-временные закономерности формирования минимального речного и подземного стока на период современных климатических изменений и может быть использована для сценарных прогнозов реакции стока на территории бассейна на ожидаемые изменения климата. Бассейн балки Таловая В результате калибрации модели по ретроспективным данным удалось достичь удовлетворительного совпадения наблюденного и модельного поверхностного стока, формирования и деградации снежного покрова и в целом за период наблюдений до 2019 года динамики уровня грунтовых вод в Докучаевском колодце. В настоящее время модель не может объяснить аномальное падение уровней в Докучаевском колодце в 2021-2022 годах. Для уточнения модели проведены полевые работы по оценке коэффициента фильтрации пород верхового водоносного горизонта в котором колеблется уровень грунтовых вод.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Реакция речного и подземного стока на климатические изменения: от засушливых бессточных районов Китая до увлажненных бассейнов российской субарктики.
Результаты этапа: В отчетный период исследования выполнялись в направлении регионального анализа поверхностного, подземного и ионного стока, а также анализа процессов инфильтрационного водообмена на ключевых объектах: Основные задачи регионального анализа: 1) выявление изменения годового стока рек ЕТР за два исторических периода 1946–1979 гг. и 1980–2021 гг.; 2) оценка точности метода Будыко при расчете годового стока; 3) оценка изменения речного стока рек ЕТР в XXI веке при различных сценариях изменениях климата, 4) Совершенствование метода двухпроходной цифровой фильтрации для выделения подземного стока и применение его для анализа наблюдаемого стока в ряде речных бассейнов, 5) Выявление закономерностей изменения ионного стока сибирских рек в контексте климатических изменений Исследования на ключевых объектах связаны с завершающими стадиями модельного анализа, инфильтрационного водообмена поверхностных и подземных вод . На этой стадии проводилось прогнозирование изменений питания подземных вод и подземного стока на севере ЕТР в бассейне р. Ваймуга и в Каменной степи в Воронежской области в бассейне балка Таловая при реализации к концу 21 века климатического сценария SSP5–8.5 В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты и выводы: Обоснована методика региональных сценарных расчетов изменения слоя годового стока с использованием пространства Будыко, реализованная с помощью зависимости Фу. Для оценки эмпирического параметра этой формулы ω предложена регрессионная модель, связывающая ее значение со степенью синхронности и размаха колебаний сезонного хода осадков и потенциального испарения SAI. На основе данной методики показано, что сток большинства рек ЕЧР в XXI в. вырастет вне зависимости от сценария изменения климата. В среднем для 76% водосборов направленность изменения речного стока за 2020–2100 гг. будет совпадать с наблюденной изменчивостью за период 1946–2021 гг Обоснован метод оценки параметров двухпроходной цифровой фильтрации многолетних суточных рядов речного стока для выделения в нем подземной составляющей. Проанализированы общие закономерности изменения подземного стока бассейнов средних и малых рек Волжского бассейна рек в конце 20 – начале 21 века, на основе которого получено, что: для исследуемых бассейнов стока нет статистически значимых временных трендов общего замедленного (базового) стока рек; для подземного стока всех исследуемых бассейнов есть формально значимый положительный временной тренд, но объяснённая им доля дисперсии составляет достаточно малую часть от общей дисперсии каждого ряда выделенного подземного стока; Общая минерализация (TDS) в бассейнах рек Восточной Сибири расположенных в зонах распространения преимущественно островной мерзлоты (194,6 ± 256,4 мг/л), примерно в 2,3 раза выше, чем в бассейнах рек с преобладанием вечной мерзлоты (83,7 ± 35,8 мг/л). Это различие может рассматриваться, как индикатор изменения в качестве пресной воды в результате деградации вечной мерзлоты. Концентрация ионов (Ca2+ + Mg2+ ) как показатель интенсивности карбонатного выветривания чувствительна к потеплению климата и увеличивается со скоростью 0,10 ммоль/(л-°C). Этот вывод свидетельствует о том, что ускорение карбонатного выветривания, вызванное потеплением климата, уже влияет на качество вод в Восточной Сибири. По результатам проведенных модельных исследований влияния прогнозных климатических изменений на условия формирования и стока в малом речном бассейне севера ЕТР (на примере бассейна р.Ваймуга) получено: • Ландшафтные различия климатической изменчивости инфильтрационного питания весьма существенны и проявляются даже на площади малых речных бассейнов с относительно однотипными условиями, что обусловлено нелинейностью климатической перестройки воднобалансовых процессов на поверхности земли и в зоне аэрации. • Сохранение в ближайшие 25-лет наблюдаемых трендов изменения метеорологических характеристик приводит к увеличению среднемноголетнего питания на площади бассейна на 30%, и соответствующему росту меженного стока рек, что снижает степень его нарушения под влиянием проектной эксплуатации подземных вод. С учетом наших предшествующих исследований можно заключить, что даже экстремальные прогнозные климатические изменения незначительно влияют на формирование запасов подземных вод береговых (приречных) водозаборов. По результатам проведенных исследований влияния климатических изменений на условия формирования инфильтрационного водообмена на малом водосборе черноземной зоны ЕТР (на примере Каменной степи) можно сделать следующие основные выводы: • При реализации наиболее неблагоприятного сценария изменения климата SSP5–8.5 условия трансформации осадков на поверхности и в почве существенно изменятся. Эти изменения связаны с ростом температур, прогнозируемыми ансамблем моделей CMIP6. • Результаты моделирования инфильтрационного водообмена для климата конца 21 века прогнозируемого сухой, средней и влажной МОЦАО из семейства CMIP6 на откалиброванной по ряду наблюдений за уровнем воды в Докучаевском колодце за период 1904-2023 годов модели показывают: o незначительное уменьшение (первые проценты) инфильтрационного питания подземных вод для средней и влажной моделей по сравнению с концом 20-началом 21 века, несмотря на существенную перестройку поверхностной части гидрологического цикла во внутригодовом разрезе o достаточно существенное уменьшение (около 60%) для сухой климатической модели o Такой контраст в прогнозном питании подземных вод связан с основной неопределенностью в долгосрочных прогнозных оценках среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод при использовании сценарного подхода к изменению климата и ансамбля МОЦАО. Эта неопределённость возникает из-за существенного разброса в прогнозируемых разными климатическими моделями годового слоя осадков Преставление результатов прогнозного гидрологического и геогидрологического моделирования в координатах пространства Будыко показало, что все вынесенные прогнозные и базовые варианты расчетов для ключевых объектов попадают примерно на одну кривую уравнения Фу. При реализации экстремального климатического сценария SSP5–8.5 изменения водного баланса ЕТР будут, по-видимому, двигаться вдоль этой кривой. В отчетный период по теме проекта было опубликовано 10 статей, 4 из них в журналах из списка Q1 WoS, сделано более 10 докладов по теме проекта на конференциях разного уровня.

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".