Параметризация характеристик речного стока для диагностики возникновения опасных гидрологических явлений и их экологических последствий (РНФ)НИР

River runoff parametrization for identification of hydrological hazards and their environmental consequences

Соисполнители НИР

Географический факультет МГУ Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 14 июля 2014 г.-12 декабря 2014 г. Обоснование теоретической концепции влияния речного стока на гидроэкологическую безопасность территорий, водных объектов, участков рек и побережий, гидрологические ограничения для водопользования; природную и техногенную вероятность опасных гидрологичес
Результаты этапа:
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Теоретический анализ гидрологической и гидробиологической информации для оценки вклада многолетней, сезонной, синоптической и иной изменчивости характеристик речного стока в разных регионах и бассейнах Российской Федерации в нарушение гидрологической и экологической безопасности населения, хозяйства, водных биоценозов
Результаты этапа: Для оценки изменения гидроэкологической безопасности территорий, водных объектов, участков рек и морских побережий обобщены результаты исследований изменчивости характеристик речного стока, водного режима, русловых, устьевых, гидробиологических процессов для многих речных бассейнов нашей страны и крупных регионов – арктической территории РФ, равнинной части европейской территории России (ЕТР), бассейна Селенги, Камчатки, трансграничных бассейнов Иртыша и Урала. Детальные исследования по регионам и субъектам ЕТР позволили установить общие закономерности и особенности формирования водных ресурсов пресных подземных и поверхностных вод; характеристик водообеспеченности территорий и населения; величины дефицита водных ресурсов. При изучении изменчивости стока и водных ресурсов трансграничных рек был проведен анализ природных и социально-экономических условий на территории Иртыша и Селенги, позволивший определить важнейшие проблемы их водного хозяйства. Получены новые сведения о современном механизме формирования стока рек ЕТР в период весеннего половодья. На основе полученных данных за период 1946–2010 гг. выявлены изменения в характере естественной зарегулированности стока рек. Показано, что изменение характера весеннего половодья тесно связано с другими фазами водного режима. Выявлены изменения характеристик паводков в различные сезоны года, проведен анализ и статистическая обработка этих изменений в разных природных условиях. С помощью авторской оригинальной программы предложена параметризация наблюдаемых изменений на основе генетического расчленения суточного гидрографа реки на основе методики Б. И. Куделина. На основе анализа обширного массива гидрологических данных изучены особенности изменений компонентов речного стока и гидрологических ограничений природопользования в крупнейших дельтах российской Арктики. Выявлены закономерности и причины внутригодовой и многолетней изменчивости стока воды, наносов и теплоты, обоснованы тенденции их возможных изменений в XXI в. Оценены последствия изменения стока и гидрологического режима в арктических дельтах. Для оценки влияния возможных климатических изменений на экстремальные гидрологические характеристики была произведена адаптация модели формирования стока ECOMAG для моделирования стока в бассейнах северных рек (рр. Северная Двина, Мезень, Печора, Пур, Надым). Калибровка и верификация модели по данным за 1979 – 2009 гг. показали удовлетворительные и хорошие результаты. Для исследования реакции стока на возможные изменения климата в бассейнах рек Пур, Надым, Северная Двина, Мезень и Печора были проведены сценарные расчеты с учетом возможных изменений температуры воздуха на +1, +2 и -1⁰С и осадков на 10, 20 и -10%. На примере наводнений и ледовых явлений рассмотрены современные подходы и возможности оценки влияния опасных гидрологических явлений на безопасность населения и объекты экономики в пределах освоенных участков рек (реки Сухона и Северная Двина, Томь, Амур, Лена). Изучены особенности моделирования затопления пойм в период весеннего половодья с учетом различных типов русла, характера пойм, особенностей хозяйственной деятельности. Проведена оценка чувствительности моделей к составу и детальности исходных данных о морфометрических характеристиках русла и поймы. Влияние многолетней и сезонной изменчивости гидрологических характеристик на показатели качества воды продемонстрировано на примере водохранилищ канала имени Москвы, для которых оценены изменения величины фитопланктона, определяющего процессы евтрофирования водоемов. Для средних и малых рек Подмосковья по данным экспедиционных исследований 2015 г. получены оценки многолетней изменчивости (по сравнению с периодом 1978-1995 гг.) биотического индекса Вудивиса, также используемого для характеристики качества воды. Изменчивость стока наносов изучалась как на глобальном уровне (для рек земного шара), так и для отдельных речных бассейнов. Выполнено обобщение оценок изменения среднемноголетнего выноса твердого материала в акваторию Мирового океана, свидетельствующее о его увеличении на 2,3 ± 0,6 млрд тонн (относительно природных величин) вследствие развития ускоренной эрозии почв и уменьшении на 1,4 ± 0,3 млрд тонн в результате аккумуляции наносов на дне водохранилищ. Условия и особенности формирования стока наносов, их пространственной и временной изменчивости подробно изучены для рек Камчатского края, бассейна р. Селенга. Проведен анализ многолетних данных об изменении содержания растворенного кислорода в воде рек бассейнов Волги, Оби, Лены, Амура - выше и ниже источников хозяйственного воздействия (всего рассмотрено около 100 парных пунктов, за период 1988—2007 гг.). Примерно для половины рассмотренных участков рек фиксируются редкие и небольшие изменения содержания кислорода ниже источников воздействия. Сильной антропогенной трансформации подвержены малые реки в крупных населенных пунктах. Изучение временной и пространственной изменчивости различных составляющих стока позволило перейти к параметризации гидрологических характеристик, соответствующих различным условиям водопользования и существования гидробионтов. Авторская методика комплексной оценки гидроэкологических ограничений на бассейновом уровне организации водопользования основана на анализе совокупности параметров, характеризующих изменение состояния водных объектов под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности. Использование этой методики для условий водопользования в бассейне Иртыша показало ее эффективность в условиях сложного сочетания гидрологических ограничений. Для рек Камчатки для оценки силы воздействия химических загрязнителей на развитие рыб адаптировалась методика параметризации влияния качества воды на состояние сообществ лососевых рыб по средней кратности превышения нормативов наблюдаемых концентраций по 12 наиболее распространенным примесным элементам. Влияние антропогенного воздействия на водные ресурсы речных бассейнов с использованием соответствующей шкалы параметризации рассмотрено также на примерах реки Ишим и Селенга. Для оценки опасности различных гидрологических процессов были предложены различные шкалы параметризации между изменениями речного стока и степенью выраженности данных явлений. Шкала параметризации для оценки использования водных ресурсов (водного стресса) была дополнена расчетами дефицита водных ресурсов для всех субъектов европейской территории нашей страны. Для оценки опасности наводнений был предложен комплекс показателей, характеризующих площадь, продолжительность и глубину затопления при прохождении максимального стока, вероятность этих событий и степень воздействия на население и хозяйство. Одновременно определяется комплекс социально-экономических показателей, учитывающих материальные ресурсы освоенной территории и величину потенциального ущерба в случае ее затопления. Детальность данных определяется масштабом исследований. В текущем году дополнена база данных и построены карты для отдельных признаков опасности наводнений в пределах речных бассейнов ЕТР. Параметризация опасных ледовых явлений включает оценку изменчивости сроков ледовых явлений, учет их продолжительности, повторяемости формирования максимального годового уровня воды в период с ледовыми явлениями, вероятности затопления поймы в период образования затора льда. Одним из вариантов комплексной параметризации русловых процессов является разработка критериев, оценивающих различные участки рек по сложности их водохозяйственного, транспортного, гидротехнического освоения, предотвращения опасных проявлений русловых процессов и т.д. Такими критериями являются: 1) устойчивость русла и интенсивность русловых деформаций; 2) морфодинамический тип русла; 3) водность реки, определяющая основные морфометрические характеристики русла; 4) условия прохождения руслоформирующих расходов воды; 5) распространение и режим перекатов, перекатный или плесовый характер русла; 6) распространение, морфология и затопляемость поймы; 7) размывы берегов рек; 8) распространение тех или иных форм излучин, разветвлений и других форм русла. Для каждого критерия как признака, на основе которого оценивается сложность и опасность русловых процессов, определены параметры – количественные (числовые) значения или качественные характеристики, обосновывающие типизацию участков реки, объемы мероприятий по обеспечению безопасности водохозяйственных, воднопутейских мероприятий и гидротехнических сооружений на реках, экономическую целесообразность их выполнения. Их применение на р. Оби позволило выделить восемь участков разной протяженности, отличающихся по условиям судоходства, необходимости выполнения и объему дноуглубительных работ для его обеспечения, дать оценку влияния на них других инженерных и водохозяйственных мероприятий. Рассмотрены различные подходы параметризации характеристик качества воды с диагностикой возникновения изменений экологического состояния рек. Сравнительная оценка результатов оценки качества воды разными методами проведена для рек и озер Норильского гидрологического района, активно используемых в промышленности, а также для замыкающих створов крупных рек европейской части Арктического бассейна – Северной Двины, Онеги, Мезени и Печоры. При определении степени отклонения гидроэкологического состояния водохранилищ оценены значения критериальных диапазонов наиболее важных показателей качества воды (Гидроэкологический режим…, 2015). Для этого проведены численные эксперименты по модели В.В. Пуклакова (Пуклаков, 1999). В качестве таких характеристик рассматривались: биомасса фитопланктона (средняя за вегетационный сезон и эпизодически максимальная), объем (в процентах) зоны аноксии; продолжительность существования такой зоны. Рассмотрена возможность наступления состояния «риск», «кризис» для Можайского и Истринского водохранилища, в водохранилищах канала имени Москвы в случае сильно изменяющегося годового притока воды. Параметризация для оценки опасных гидрологических явлений в устьях рек разработана отдельно для устьев больших рек, где она определяется соотношением речных и морских факторов (на примере устья Терека), и малых рек (на примере побережья Черного моря). Для последних рек важным результатом стала параметризация не только речного стока, но и атмосферных осадков, позволившая определить их критические суточные значения для разных месяцев холодного периода года. Проведен литературный обзор шкал параметризации характеристик речного стока для диагностики экологического состояния рыбных сообществ. Показано, что существующие подходы направлены на классификацию состояния сообществ лишь по отдельным компонентам речного стока, что не отвечают требованиям включения в систему гидрологических, гидрохимических и русловых факторов. Оценка эффективности шкал параметризации характеристик речного стока для диагностики экологического состояния рыбных сообществ проведена для бассейна Селенги и рек Камчатки. На основе обобщения сведений о пересыхании и промерзании рек, повышенной мутности речных вод и заилении донного субстрата, химическом составе речных вод с избыточной концентрацией тяжелых металлов, евтрофикации рек и загрязнении речных вод органическими и ароматическими соединениями и нарушениями мест нереста, нагула и зимовки рыб для бассейна Селенги предложена региональная экологическая классификация трансформации речных экосистем. Выполнен анализ лимитирующих и критических параметров водного стока для воспроизводства лососевых рыб на примере районов полуострова Камчатка со значительной пространственно-временной изменчивостью водного режима.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Апробировать схемы параметризации составляющих речного стока в характерных регионах страны для определения актуальной и потенциальной возможности нарушения гидрологической и гидробиологической безопасности регионов
Результаты этапа: Апробированы схемы параметризации составляющих речного стока в характерных регионах страны для определения актуальной и потенциальной возможности нарушения гидрологической и гидробиологической безопасности этих регионов. В обобщающей монографии (Евстигнеев, Магрицкий, 2016) изложены закономерности формирования речного стока, его колебаний во времени и пространстве, задачи организации водоохранной деятельности и обеспечения гидроэкологической безопасности населения, социальных и производственных объектов. Схема параметризации характеристик водного режима использована с целью выявления предпосылок возникновения маловодий в бассейне Дона и особенностей минимального стока рек Черноморского побережья Кавказа. Предложенная ранее схема параметризации характеристик опасных ледовых явлений и процессов была апробирована на реках Арктической зоны России за современный период (1981 – 2010 гг.). Проанализирована временная и пространственная изменчивость характеристик, определяющих опасность ледовых явлений с построением соответствующих карт: повторяемость выхода воды на пойму в период весеннего ледохода (образования заторов), повторяемость лет, когда максимальный годовой уровень воды сопровождается ледовыми явлениями, максимальная толщина льда 1% вероятности превышения, продолжительность физической навигации (Agafonova et al., 2016). Установлены и обоснованы диапазоны изменения параметров качества воды (по всем используемым в настоящее время индексам), соответствующих большей или меньшей безопасности для населения и хозяйства, а также водных биоценозов (Алексеевский и др., 2016). Проверка эффективности использования полученной классификация проведена для тестовых объектов: рек и озер бассейна Норильского гидрологического района, замыкающие створы крупных рек Арктического бассейна, реки бассейна Кубани, бассейн водораздельного бьефа канала имени Москвы. Апробация предложенной единой шкалы параметризации качества воды наиболее применяемыми в России и за рубежом методами позволила оценить целесообразность использования каждого из них для водных объектов с разной интенсивностью и направленностью хозяйственной деятельности на их водосборах. Параметризация гидрохимических характеристик качества воды для особо охраняемых природных территорий (ООПТ) по результатам многолетних экспедиционных исследований водных объектов, расположенных на территории ГПБЗ «Керженский» и НП «Валдайский», подтверждает, что нормативы качества вод, установленные на общегосударственном уровне, зачастую не только не учитывают индивидуальных географо-климатических особенностей тех или иных водных объектов, но нередко оказываются не соответствующими состоянию этих водоемов (Ефимова, Повалишникова, Фролова и др., 2016). Специфика ландшафтных условий исследованных ООПТ обусловливает необходимость использования при параметризации не только «маркерных» и «критически важных» для оценки состояния водного объекта показателей, но и введения региональных ПДК и дальнейшей оценки чувствительности применяемых методов параметризации качества воды (Гречушникова и др., 2016; Ефимова и др., 2016; Efimova et al., 2016). С помощью биотического индекса (БИ) (Вудивис, 1977) и индекса загрязнения вод (ИЗВ) выполнена параметризация антропогенного воздействия на донные биоценозы малых рек Московской области при возрастании численности населения населенных пунктов. Для водохранилищ Московской области изучены гидрологические условия евтрофирования, на основе полученных результатов многовариантных диагностических и прогнозных расчётов изменчивости гидроэкологического состояния водоемов апробированы схемы параметризации для определения актуальной и потенциальной возможности нарушения гидрологической и гидробиологической безопасности (Гидрологический режим…, 2015). Дана оценка роли формы водохранилища при параметризации его экологического состояния в экстремальных гидрологических условиях (Пуклаков, Эдельштейн, Даценко, 2016). Морфология водохранилища определяет интенсивность внутреннего водообмена и перераспределение в ней внешней и внутренней нагрузки биогенными элементами. В качестве интегральных показателей самоочищающей способности пресных водоемов от загрязняющих воду органических веществ предлагается также использовать интенсивность эвазии и инвазии О2 и СО2 (Эдельштейн и др., 2016) путем имитационного моделирования состояния экосистем водоемов с использованием данных современных автоматических регистраторов. По данным гидрохимических материалов (1988 – 2007 гг.) оценены параметры кислородного режима рек России в природных и антропогенных условиях. При продвижении с юга на север возрастает амплитуда сезонных изменений кислорода и уменьшается среднегодовая концентрация кислорода (в процентах насыщения). Сведения об антропогенных изменениях получены путем сопоставления данных о содержании кислорода выше и ниже источников загрязнения в районе 92 населенных пунктов и крупных промышленных центров. Наиболее сильной антропогенной трансформации подвержены малые реки в крупных населенных пунктах (Гончаров и др., 2016а, 2016б). Параметризация техногенного потенциала регулирования местного речного стока (отношение суммарной величины полезного объема водохранилищ при НПУ к объему местного стока рек рассматриваемой территории за многоводные фазы водохозяйственного года) продемонстрирована по данным 267 водохранилищ объемом >10 млн. м3, находящихся на территории 51 субъекта Российской Федерации во всех её семи федеральных округах. Проведено ранжирование субъектов РФ по величине техногенного потенциала регулирования стока на территории каждого из них при оперативном использовании для этого полезного объема эксплуатируемых в России больших водохранилищ. Рассмотренные ранее (Чалов Р.С., 2015) схемы параметризации русловых процессов были использованы для оценки их опасных проявлений для больших и крупнейших рек страны. Их применение, например, на р. Обь позволило выделить 8 участков разной протяженности, отличающихся по условиям судоходства, необходимости выполнения и объему дноуглубительных работ для его обеспечения, дать оценку влияния на них других инженерных и водохозяйственных мероприятий, на Лене – 10 участков, на Вычегде–Северной Двине – 13. На примере ряда небольших рек бассейна Волги (Кудьма, Озерки) дана оценка трансформации параметров русловых процессов в результате хозяйственной деятельности (строительство глухих плотин, спрямление русла, распашка земель). На основе полученных результатов исследования выполнено научное обоснование районирования территорий, речных бассейнов, ранжирование участков рек и водохранилищ в зависимости от изменчивости составляющих речного стока. Шкала районирования территории по степени опасности затопления и потенциальных ущербов получена на основе двумерного гидродинамического моделирования характеристик водного потока - уровней воды, скоростей течения, продолжительности стояния воды. Проведено районирование по степени опасности наводнений заторного, стокового, нагонного происхождения на участках Северной Двины (в том числе ее устьевой области), Томи, Лены, Адыл-Су, Преголя и др. рек (Алексеевский и др., 2016; Agafonova et al., 2016; Frolova et al., 2016; Alexeevsky et al., 2016; Magritsky et al., 2016; Лебедева, 2016). Параметризация максимальных расходов воды, вызывающих критические подъемы уровня в реках Черноморского побережья, в текущем году дополнена классификацией и районированием рек (Алексеевский и др., 2016, Alexeevsky et al., 2016) по степени опасности наводнений с учетом повторяемости, генезиса и вызываемого ими ущерба. Выявлены закономерности изменения числа наводнений и их характеристик по территории побережья, в течение года и в многолетнем масштабе времени. Приведены количественные оценки опасности и зафиксированного ущерба для населения и хозяйства. Обобщены данные по опасным гидрологическим процессам в устьях крупнейших рек России. Это потребовало детального анализа многолетней изменчивости годового и сезонного стока воды, наносов, теплоты, уровенного режима, сбора информации по ущербам. Проведено сравнение устьевых областей рек и морских побережий европейской части России по набору и степени опасности гидрологических процессов. Выполнено районирование территории Российской Федерации по тенденциям многолетней изменчивости стока взвешенных наносов в конце XX-начале XXI в. Отмечается перестройка направленности изменения стока взвешенных наносов на многих реках РФ в начале XXI в. по сравнению с трендами второй половины XX в., а также их значительная пространственная контрастность под влиянием неоднородных изменений водного стока и хозяйственной деятельности. Максимальное увеличение стока наносов было характерно для рек Восточной Сибири (от 2-3 кратного на крупных реках до 10-кратного увеличения модуля стока наносов на малых реках), что связано с последствиями горнодобывающей деятельности и активизацией термоэрозии в условиях климатического повышения водности. Максимальное снижение стока наносов (в 3-4 раза) характерно для ряда южных регионов страны и объясняется уменьшением водности рек, консервацией сельскохозяйственных земель и влиянием водохранилищ. Для отдельных регионов проведено более детальное исследование условий формирования стока взвешенных наносов, изучена природная интенсивность природного развития эрозионных процессов. Так, например, выявлено, что условия формирования потенциального смыва почв в пределах Камчатского края относительно однородны для 26 эрозионных районов. Эта величина изменяется от <50 т/км2 на севере до >5000 т/км2 в вулканических районах. Проведена оценка коэффициента доставки наносов, характеризующих соответствие модулей потенциального смыва почв и стока взвешенных наносов. На основе литературного обзора, анализа результатов лабораторных исследований для основных групп рыб, встречающихся в реках России (лососевые, сиговые, сомовые, окуневые, карповые), предложена экологическая классификация воздействий поступления твердых частиц минерального происхождения на рыбное население. Определены 4 группы экологически значимых параметров (характеристик) речных наносов, проявляющихся на разных уровнях функционального воздействия. Рассмотрены методические основы получения прогностических оценок изменения эколого-геохимического состояния бассейна реки и дельты в условиях меняющегося климата в 21-м столетии и методики прогнозирования речных и дельтовых экосистем». Например, в бассейне Селенги к разработанным блокам относятся детерминированные модели формирования стока с полураспределенными параметрами, модель эрозионного потенциала RUSLE. Регрессионная модель стока и состава взвешенных наносов Selenga Statistica совместила характеристики частных водосборов и параметры стока взвешенных наносов (мутность, расходы взвешенных наносов, крупность и химический состав переносимого материала) и концентрации загрязняющих веществ. Для параметризации дельтовых экосистем разработана статистическая модель, основанная на функциональной зависимости аккумулирующей способности дельты от водности р. Селенги. Проведена адаптация инструментария прогнозных оценок для ряда речных бассейнов крупных рек (р. Селенги и р. Лены), а также малых рек (водосборы рек Сахалин и Камчатки), для которых выполнена настройка, калибровка и верификация ансамбля моделей параметризации эрозионных процессов, стока наносов и миграции загрязнителей. Схемы параметризации характеристик речного стока использованы для ранжирования территорий (регионов, бассейнов, участков рек и побережий, включая устьевые области рек) по природной опасности гидрологических явлений. На основе анализа синхронности наступления дат ледовых явлений и схожести процессов замерзания и вскрытия рек было проведено районирование Арктической зоны. Всего было выделено 8 районов, для которых определено значение характеристик, позволяющих оценить опасность ледового режима. В пределах модельных речных бассейнов (бассейн р. Енисей – р. Селенга; бассейны рек Камчатки; бассейны рек острова Сахалин) проведено районирование речной сети по токсикологической опасности и опасности, связанной с избыточным поступлением твердых частиц. Для параметризации этих изменений проведено дешифрирование нарушений в пределах пойменно-русловых комплексов в пределах 7 субъектов Дальневосточного федерального округа. На примере крупнейшей внутренней дельты мира – дельты р. Селенги - исследовалась параметризация эрозионно-аккумулятивных процессов в связи с особенностями прохождения разных интервалов расходов воды. Она предполагает определение для разных расходов воды характерных значений трансформации мутности воды, рассчитываемой в % от мутности воды единого русла реки (выше дельты). Для решения этой задачи использованы данные дистанционного зондирования Земли (спутниковая съемка Landsat 5 и Landsat 8, всего 82 космических снимка за период с 1989 по 2015 гг.), данные о расходе воды на гидрологическом посту у рзд. Мостовой. В периоды большей водности р. Селенги трансформация мутности воды по длине дельты составляла в среднем 12,5 % от общего стока взвешенных наносов, в то время как в маловодный период она снизилась до 4-5 %. Схемы параметризации характеристик речного стока использованы для ранжирования территорий (бассейнов, участков рек) по масштабам трансформации состояния рыбных сообществ в ряду событий «норма – кризис – бедствие - чрезвычайная ситуация - катастрофа». Гидрологические условия изменения гидробиологических и гидрохимических характеристик выявлены для р.Дон. Анализ проводился для двух групп организмов: фитопланктона и сеголетков рыб различных видов для Цимлянского водохранилища за 2002-2015 гг. Если до начала маловодного периода, в 2004-2006 гг. состояние экосистем р. Дон на исследуемом участке можно оценить как олиготрофное, то для периода маловодья оно соответствует эвтрофному состоянию. Несмотря на то, что уровень воды является не единственным фактором, влияющим на нерест, в условиях Цимлянского водохранилища можно говорить о его ключевой роли. Выделенные параметры переноса речных наносов проанализированы с точки зрения пространственного распространения основных групп рыб рек России и критических условий изменения рыбных сообществ. Выявлена широтная закономерность в составе ихтиоценозов и средней мутности рек, которая растет с севера на юг. В частности, наиболее чувствительны к замутнению воды лососевые и сиговые рыбы – типичные обитатели северных рек и озер. Напротив, карповые, сменяющие лососевых в более южных регионах, менее чувствительны к взвесям. Сопоставление в бассейне Селенги концентраций биодоступных металлов (Cu, Zn, Pb, Cd, As) во взвешенной и растворенной форме и мутности воды (средних за год) с распределением концентраций этих элементов в рыбах позволило провести количественную параметризацию состояния рыбных сообществ. Большая часть сообществ относится к состоянию «норма», которая отличается низкими концентрациями микроэлементов в рыбах и определяется отсутствием значимых техногенных изменений качества воды и наносов. Превышение от одного до трех ПДК металлов в воде соответствует состоянию «кризис», в условиях бассейна Селенги отмечающееся в районе г. Улан-Удэ и проявляющиеся в повышенном содержании ряда элементов в рыбах. Наиболее значимые воздействия на состояния сообществ («бедствие» - превышение ПДК в воде от одного до трех металлов; «чрезвычайная ситуация» - превышены ПДК более чем у трех металлов, а мутности – постоянное превышение допустимых для реофильных видов значений (25-35 мг/л)), характерны для малых рек (Туул, Хараа, Модонкуль), испытывающих влияние крупных индустриальных центров (Улан-Батор, Дархан, Закаменск) и разработок россыпных месторождений. Список участников, содержание проекта, отчетные материалы за 2014-2016 гг. размещены в интернете на сайте кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ: http://www.geogr.msu.ru/cafedra/gydro/rnf/proekt/. Опубликованные статьи, материалы конференций размещены на персональных страницах участников проекта в информационной системе ИСТИНА МГУ: https://istina.msu.ru/organizations/department/275488/workers/ .
4 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Обобщение схем параметризации составляющих речного стока для различных пространственных масштабов и типов водных объектов
Результаты этапа: Результаты в 2017 г. получены по следующим направлениям: 1) Обобщение схем параметризации составляющих речного стока для различных пространственных масштабов и типов водных объектов. Разработка параметризации основных природных и техногенных факторов (условий) развития неблагоприятных и опасных гидрологических процессов. Членами творческого коллектива были получены выводы, обобщающие апробацию схем параметризации составляющих речного стока для различных пространственных масштабов и типов водных объектов. Выбранные параметры водного режима, их диапазоны изменений использованы для расчета интегрального индекса его трансформации. Полученная и обоснованная шкала параметризации лежит в основе построенной карты «Типы водного режима и его трансформация». Основной чертой последних трех десятилетий является увеличение водности летне-осенней и зимней межени вследствие роста числа паводков, вызываемых оттепелями в зимний период и экстремальными дождями в летний. Именно прерывистость меженного периода была выбрана в качестве одного из ключевых показателей при классификации. Первичным классификационным признаком стало наличие или отсутствие талого стока в течение гидрологического года. На втором шаге классификации выделяются горные и равнинные реки. На третьем классификационном признаке выделяется степень устойчивости меженного периода. Дана подробная характеристика гидрологических сезонов и степени изменений внутригодового распределения стока для всех регионов европейской части России. Например, для верхнего и среднего течения Дона основную роль в годовом стоке раньше играло весеннее половодье, сейчас доля стока половодья в году составляет не более 25-40 %. Именно в этом регионе трансформация водного режима проявилась наиболее сильно. В период до 1970х годов реки этого региона относились к рекам с устойчивой зимней и летней меженью, прерываемой отдельными паводками. Сейчас количество паводочных пиков за водохозяйственный год может достигать 5-7. Выделение маловодного периода затруднено, сток зимней межени за счет оттепелей повысился более чем в 2 раза. Зимы стали крайне неустойчивыми, в отдельные годы устойчивый снежный покров практически не формируется (Frolova et al., 2017,Киреева и др., 2017). Итоги многолетней работы с европейскими коллегами по изучению изменения величин и дат прохождения максимальных расходов опубликованы в журнале Science (Blöschl, Frolova, Kireeva et al., 2017). Впервые на континентальном масштабе были выявлены существенные изменении в параметрах водного режима рек. Теоретические обобщения схем параметризации получены и для речных наносов. Проанализированы основные подходы к классификации речных наносов (гидромеханические, гранулометрические, гидродинамические, геохимические). Обоснована гетерогенная концепция формирования и транспорта речных наносов, которая учитывает неустойчивость пребывания тех или иных частиц наносов в пределах форм транспорта (донные отложения, взвешенные и влекомые наносы) и агрегатных состояниях (растворы, коллоиды, нерастворенные формы) за счет постоянного массообмена и комплекса физико-химических и биологических продукционно-деструкционных процессов. Показано, что универсальным фактором дифференциации речных наносов по условиям транспорта и химическому составу является гранулометрический состав. На основе его учета предложена унифицированная гидролого-геохимическая параметрическая шкала речных наносов, позволяющая учесть в единой функциональной схеме типовые распределения химического состава речных наносов и соответствующие формы транспорта наносов. Полученные результаты апробированы на натурном материале. Сформулированы подходы к изучению организации перемещения вещества в эрозионно-русловых системах, направленные на систематизацию знаний о формировании и транспорте наносов и взаимосвязанных с этим процессов миграции химических веществ и их трансформации. Разработка этих понятий является основой для параметризации пространственных и временных масштабов интенсивности транспорта и состава речных наносов (Chalov et al., 2017). Предложена концептуальная модель параметризации источников формирования стока наносов на основе сопоставления расчетных значений бассейновой составляющей стока наносов и сетевых наблюдений за мутностью воды и стоком взвешенных наносов. Смоделированные значения модуля стока наносов лежат в пределах региональных значений. Полученные результаты для бассейна Лены свидетельствуют о том, что в большинстве случаев наблюдается превышение фактических значений над расчетными, что может объясняться ролью русловых источников поступления материала. В частности, фактические значения могут увеличиваться за счет процессов русловой эрозии, а также процессов овражной эрозии, поступления материала в поток за счет оползней и обвалов. На этой основе выполнена дифференцированная оценки вклада русловой составляющей в сток наносов. Для замыкающего створа р. Лены (г.п. Кюсюр) доля русловых источников в стоке взвешенных наносов составляет около 50 %. На основе собранных материалов по устьям рек России и мира (102 устья), их основным характеристикам и факторам, дано описание генезиса наводнений в устьевых областях рек, получена информация о максимальном размахе колебаний уровня воды, максимальной доле дельтовой равнины, затопляемой речными водами, глубинах затоплений, повторяемости наводнений различного генезиса. Описано развитие маловодий, особенностей опасных ледовых явлений, морфодинамических процессов, интрузии соленых вод. На основе созданной базы данных по составу и характеристикам неблагоприятных и опасных гидрологических процессов в устьях рек России и мира, по вызываемым ими ущербам, по конкретным событиям предложена параметризация развития неблагоприятных и опасных гидрологических процессов в устьях рек (Магрицкий, 2017, Магрицкий и др., 2017). Предложена методика учета региональных особенностей химического состава воды при использовании методов параметризации качества воды с учетом природного исторического фона для тех показателей качества воды, при которых природный фон превышает ПДК. В случае стабильного природного гидрохимического фона и обоснованном отсутствии его заметных трендов возможна замена применяемых в соответствии с оригинальными методиками величин ПДК на медианные или среднегеометрические значения фоновых показателей. Как правило, к ним относятся железо, марганец и цветность воды. Результаты оценок, полученных двумя эффективными методами параметризации качества воды - УКИЗВ и WQI, подтвердили выявленные при выполнении проекта 2016 г. расхождения в один балл. В водах объектов, расположенных на фоновых территориях, не подверженных антропогенному воздействию, имеет смысл проводить аналогичную оценку для компонентов химического состава, комплексно характеризующих состояние водных экосистем. К ним относятся БПК5, ХПК, биогенные элементы, на заболоченных территориях – фенолы и НФПР. Это позволит правильно оценивать индексы качества воды. Приведены результаты анализа экстремально низкого маловодья на Дону. Основной причиной возникновения экстремально маловодных лет 2007-2015 гг. стали аномально теплые зимы, с температурой, превышающей среднее значение на 2-4°С. Это в свою очередь привело к низкому промерзанию почвы, большим потерям стока на инфильтрацию, и исключительно низкому половодью, в отдельные годы составляющему лишь 37% от нормы. Засуха привела к существенным ущербам для экосистемы Цимлянского водохранилища и р. Дон в целом. Большинство нерестилищ в 2014 г. оказались осушенными. Количество молоди большинства видов ценных пород рыб сократилось в 5-10 раз по сравнению с периодом 2002-2014 гг. Убытки наблюдались в сфере судоходства по внутренним водным путям и гидроэнергетике. Как показало исследование, основными причинами маловодья стали исключительно аномальные гидроклиматические условия, а также трансформация поверхности водосбора. В результате, в годы с низким уровнем воды биомасса фитопланктона в отдельных створах может достигать 15-30 мг/л, свидетельствуя об эвтрофном (гипертрофном) состоянии, при котором качество воды сильно ухудшается. (Киреева и др., 2017а,б). В 2017 г. установлены основные признаки экстремальных проявлений русловых процессов (ЭРП). По своему происхождению в большинстве своем ЭРП определяются природным факторами. Но они могут быть спровоцированы антропогенным вмешательством и иметь смешанный природно-антропогенный характер (размывы русла в нижних бьефах гидроузлов и при разработке карьеров), либо являются следствием исключительно техногенного воздействия на реки (при добыче россыпных месторождений, образовании карьерных выемок в русле). Описан пространственный масштаб экстремальности, их повторяемость, негативные социально-экономические последствия, возможности предотвращения. Параметризация гидрологических характеристик с учетом внутрисуточных колебаний температуры поверхностного слоя воды и интенсивности процесса фотосинтеза для оценки опасности экологического состояния водоемов проведена на примере Можайского водохранилища. В настоящее время для оценки глобальной эмиссии с водохранилищ мира использованы данные по 162 водоемам, причем удельный поток метана изменяется от 0,1 до 3935 мг CH4-C м-2 сут-1. РФ в базе данных [Deemer, 2016] представлена всего лишь одним Саяно-Шушенским водохранилищем. Очевидно, что вопрос эмиссии метана слабо изучен и требует проведения дополнительных регулярных натурных исследований для количественной оценки эмиссии. В настоящее время для параметризации оценки эмиссии метана с водоемов различных природных зон приняты следующие осредненные значения [Varis O. et. al. 2012]: бореальная – 13, умеренная – 7, субтропическая – 5 и тропическая – 103 мг CH4-C м-2 сут-1. Анализ данных указывает на большую неопределенность параметризации эмиссии метана для удельных потоков в интервале 10-100 CH4-C м-2 сут-1. 2) Оценка чувствительности различных схем параметризации. Рассмотрены величины допустимых отклонений в применяемых методиках параметризации качества воды, при которых сохранится достоверность получаемых результатов, оценки чувствительности различных методов параметризации качества воды водных объектов при изменении перечня контролируемых показателей и регулярности отбора проб. Результаты получены на примере водных объектов Норильского гидрологического района. При исключении 1 или 2 показателей значения УКИЗВ меняются в среднем на 5–6%. При этом изменение класса качества происходит в 21-25% случаев и касается в основном наименее загрязненных водных объектов. В общем случае, наиболее существенное изменение величины УКИЗВ происходит при исключении 9 и более параметров из обязательного перечня. Изменения класса качества при исключении 10 показателей произошли в 67% тестируемых пунктов наблюдений, примерно в половине случаев различия достигали 2 классов. Изменения в значениях индексов качества воды при использовании результатов анализа от 6 до 10 проб воды, охватывающих все основные фазы водного режима, незначительны, диапазон колебаний не превышает 10%. При этом наиболее сильно изменения проявляются в более загрязненных водных объектах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в оригинальную методику расчета УКИЗВ допустимо внесение изменений по части исключения показателей из указанных в обязательном перечне. Для обоснования исключаемых показателей необходимо для тестового периода определить величину УКИЗВ по оригинальной методике и выявить критические показатели загрязненности воды, которые должны учитываться при расчете индексов для обеспечения объективных результатов параметризации качества воды. Из остальных компонентов химического состава воды рекомендуется учитывать те, которые комплексно характеризуют состояние водной экосистемы, такие как содержание кислорода, величина БПК5, ХПК и некоторые из соединений азота, например, концентрации нитритов и ионов аммония. Учет этих показателей в совокупности с КПЗ воды и специфическими загрязнителями, характерными для данного объекта, позволит в первую очередь экономически оптимизировать процесс мониторинга за качеством поверхностных водных объектов. Второй пример по оценке чувствительности к схемам параметризации относится к оценке опасности затопления к изменениям антропогенной нагрузки и изменениям стока. Разработана методика оценки чувствительности опасности затопления к изменениям природных и антропогенных факторов на основе численных экспериментов с двумерной гидродинамической моделью STREAM_2D. На основе полученных результатов моделирования для ключевых участков построены зависимости характеристик затопления от входного расхода воды в современных условиях и при изменении различных факторов, включая увеличение стока, изменения коэффициента шероховатости, ледовые заторы, наличие/отсутствие дорожных насыпей на пойме; наличие/отсутствие застройки. Анализ полученных зависимостей показал, что даже осреднённые по всей области моделирования значения характеристик потока, определяющие опасность затопления, чувствительны к изменениям внешних условий, представленные зависимости могут использоваться для учета вклада различных факторов в изменение опасности затопления на поймах. Проанализирован вклад изменений коэффициента шероховатости подстилающей поверхности, являющегося основным калибровочным параметром гидродинамической модели, в изменение опасности затопления. Изменения коэффициента шероховатости, наблюдаемые на природных объектах, в основном связаны с изменением антропогенной нагрузки (освоение пойм, добыча песчано-гравийного материала в руслах). В ходе численных экспериментов были построены зависимости опасности затопления от входного расхода воды при различных значениях шероховатости русел и пойм. Проблема параметризации опасности стоковых и нагонных наводнений в устьях рек неразрывно связана с параметризацией гидравлического сопротивления при неустановившемся движении водного потока. Гидродинамическая модель устья Северной Двины, разработанная на основе комплекса STREAM-2D, продемонстрировала существенную чувствительность размеров и расположения зон затопления в зависимости от значений коэффициентов шероховатости русловых и пойменных ячеек расчетной сетки. Оказалось, что воспроизвести ход колебаний уровня воды в рукавах дельты в течение приливного цикла при весеннем половодье и осеннем нагоне удается гораздо точнее, чем вариации распределения расходов воды по рукавам, особенно при реверсивном характере течения. При этом средняя за приливный цикл шероховатость русел рукавов дельты оказалась значительно меньшей, чем шероховатость русел «нормальных рек», со сходными морфологическими характеристиками. На устьевую область Онеги была разработана двумерная модель с использованием пакета STREAM-2D на участок от устьевого створа до вершины эстуария в 22 км выше по течению и трехмерная модель с использованием пакета DELFT-3D на участок от 2-го до 6-го км. На этом участке в ходе полевых работ, выполненных в январе-феврале и августе 2017 г. был поставлен комплекс специальных гидрометрических наблюдений, ориентированных на калибровку и верификацию модели: составлена карта подводного рельефа, на границах в течении полного приливного цикла выполнялись измерения скоростей течения и расходов воды, велись непрерывные наблюдения за уровнем воды. Результаты сценарного моделирования продемонстрировали высокую степень чувствительности модели к заданию шероховатости русла на различных участках и в различные фазы приливного цикла, что определило необходимость учета данного фактора при анализе опасности нагонных, заторных и стоковых наводнений в областях, подверженных приливным колебаниям уровня. 3) Оценка многолетних тенденций изменения экстремальных гидрологических характеристик и их пространственные закономерности. Для исследуемой территории (бассейны рек Волга, Дон и Урал) наблюдаются следующие изменения ледового режима рек: рост продолжительности физической навигации; снижение максимальных значений толщины льда; снижение повторяемости весенних заторов и весеннего ледохода, выхода воды на пойму в весенний период. В тоже время все чаще наблюдаются зимние вскрытия, в отдельных случаях сопровождаемые заторно-зажорными явлениями, растет изменчивость сроков ледовых явлений, кардинальная смена характера ледового режима приводит к необходимости обновления существующих прогнозных методик и подходов. Выявлена роль антропогенного фактора в изменении ледового режима в результате строительства Волжской ГЭС. Главным негативным изменением ледового режима после зарегулирования являются ежегодные заторно-зажорные явления, образующиеся в нижнем бьефе. По результатам исследований построена карта-схема опасных гидрологических процессов в устьях рек и на морских побережьях Сибири и Дальнего Востока. 4) Разработка методики оценки гидрологической безопасности водопользования на региональном, бассейновом и локальном уровне. Описана методика оценивания суммарной гидрологической опасности в устьевых областях рек. Интегральная гидрологическая опасность складывается из составляющих, отвечающих за гидрометеорологические и физико-географические условия развития и магнитуду конкретного процесса/события. Величина каждого слагаемого оценивается в соответствие с характеристиками главных факторов (на базе общедоступной географической информации) и по 5-ти балльной шкале. Балл определяется из обоснованных для каждого ОГП опытных (экспертных) таблиц. Другие факторы ОГП либо заложены уже в градациях главных факторов, либо учитываются через сборный коэффициент. Методика предусматривает возможность уточнения результатов с помощью корректирующих коэффициентов, учитывающих, во-первых, различия ОГП между собой по тяжести воздействия на население, на хозяйственную деятельность и природные системы, во-вторых, изменение величин процессов и событий по мере хозяйственного освоения и заселения устьев рек, реализации защитных мер. 5) Районирование территории России по составу и уровню опасности отдельных гидрологических процессов. Среди результатов, перечисленных и описанных выше, в 2017 г. получено районирование европейской части России по типам водного режима рек и степени его трансформации за последние 30 лет, создана карта состава ОГП в устьях рек и на морских побережьях Сибири и Дальнего Востока, карта опасных характеристик ледовых явлений для европейской части России и др. На примере Северного экономического района разработана методическая основа районирования изменений качества поверхностных вод РФ. Общая оценка гидроэкологического состояния дана в соответствии с параметризацией качества поверхностных вод по УКИЗВ, классам и разрядам качества вод, разработанной в рамках Проекта 2014. Выполнено ранжирование основных водных магистралей бассейнов Северной Двины (Вычегда – Сухона – Северная Двина) и Лены (Лена и ее притоки Алдан и Вилюй) по параметрам русловых процессов, сложности водохозяйственного и водотранспортного освоения. Еще один результат работы по проекту в 2017 г. связан с районированием и картографированием бассейнов крупнейших рек Российской Федерации (Лены, Енисея и др.) по степени современной и прогнозной эрозионной опасности и стоку наносов. Выполнена сравнительная оценка развития эрозии для частей бассейнов крупных рек Российской Федерации (Лены и части бассейна р. Енисей – в пределах бассейна Селенги). По результатам расчетов для разных периодов выявлено, что преобладающая часть (77-97%), например, бассейна р. Лена относится к низкой опасности проявления эрозионных процессов (по критерию ГОСТ 17.4.4.03-86). В среднем 87% территории находятся на территории со слабой эрозией или полным ее отсутствием. Остальная часть территории распределена равномерно между оставшимися парами классов. Порядка 12% приходится на 2-3 классы (темпы 0.5-5 т/га) и около 1% на зоны с темпами потенциальной эрозией более 5 т/га, которые в основном заняты распаханными территориями на юге бассейна. Прогноз на 2046-2065гг. показывает явное увеличение эрозионной опасности территории. Основным фактором трансформации эрозионной опасности является увеличение количества осадков в южной части бассейна. В рамках работы над темой РНФ выполнен расчет техногенного потенциала регулирования стока в речных бассейнах рек России, СНГ и зарубежной Европы с построением соответствующей карты для крупных рек Европы, СНГ и европейской части России.. 6) Установление пространственных особенностей структуры сообществ и биологических показателей жизнеспособности рыб в связи с изменением характеристик стока взвешенных наносов. Проведено исследование допустимых воздействий поступления твердых частиц на разные группы рыб ихтиофауны рек России. Показано, что эффекты воздействия стока взвешенных наносов проявляются на всех уровнях организации сообществ рыб: от клеточного и организменного до популяционного и ценотического. В связи с многофакторностью воздействия, антагонистическими и адаптационными эффектами, четких пороговых значений мутности и состава взвешенных частиц не существует: рыбы могут выдерживать мощные кратковременные скачки мутности, но прямое воздействие минеральных взвесей постоянно и его последствия аккумулируются. Сделан вывод, что «статичный» общефедеральный норматив содержания взвешенных частиц в водных объектах рыбохозяйственного значения, принятый в России (+ 0.25 мг/л к природному фону в РФ (Нормативы качества вод, 2011), не соответствует фактическим характеристикам транспорта наносов и физиологическим особенностям воздействия твердых частиц на ихтиофауну. Предложенная в рамках проекта дифференцированная параметрическая шкала воздействия мутности на разные группы рыб является теоретической и методической основой усовершенствования нормативной базы.
5 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Обобщение схем параметризации составляющих речного стока для различных пространственных масштабов и типов водных объектов
Результаты этапа: В 2018 г. выполнены исследования, направленные на разработку подходов и выполнение прогнозных оценок изменения опасности водного, ледового, руслового режима рек России, гидроэкологического состояния устьевых областей, озер и водохранилищ с учетом природных факторов и антропогенных нагрузок с целью совершенствования мероприятий по управлению водными ресурсами суши. В 2018 г. проведена комплексная переоценка типов водного режима и их изменений. Был разработан набор карт параметров современного водного режима и степени его трансформации на основе полученных критериев и шкал. Для отобранных репрезентативных бассейнов были проведены расчеты выбранных характеристик стока, оценен диапазон их изменений, проанализирована скоррелированность параметров между собой и выявлены наиболее независимые друг от друга величины. В результате была разработана типизация современного водного режима рек России, полученная с учетом существующих ранее подходов и классификаций. На основе проделанного анализа и разработанных критериев параметризации характеристик речного стока проведена оценка трансформации типов водного режима за период климатических изменений по сравнению с предшествующим устойчивым состоянием. Проведено районирование территории Европейской России по типам водного режима и степени его изменения. Для репрезентативных водосборов рассчитано значение интегрального коэффициента трансформации водного режима, получена карта его географического распределения. Выявленные закономерности могут служить основой для понимания необходимости адаптации водного хозяйства тех или иных регионов к современным условиям, что обеспечивает экономически эффективное и экологически безопасное водопользование. Оценка опасности затопления проводилась для тестовых объектов, характеризующих максимально широкий спектр природных условий, разных по масштабу и генезису наводнений, включая наиболее значимые с точки зрения опасности наводнений освоенные участки речных долин на территории РФ, включая р. Амур (Благовещенск), Томь (Междуреченск – Новокузнецк, Томск), Ока (Рязань), Лена (Якутск), Северная Двина (Вел. Устюг – Котлас), Москва (Захарково), Катунь (Усть-Кокса) и ряд других. Исследованием охвачены наводнения стокового, стоково-заторного, стоково-подпорного, прорывного генезиса. На основе полученных в результате гидродинамического моделирования глубин и скоростей течения в каждой расчетной ячейке модельной сетки вычислялась удельная кинетическая энергии потока, на основе которой проводилось районирование территорий ключевых участков по степени опасности затопления. Для оценки возможных изменений опасности затопления пойм на основе разработанной шкалы параметризации с учетом природных факторов и антропогенных нагрузок проводились сценарные расчеты во всем диапазоне наблюдаемых на ключевых участках расходов воды. Рассмотрено дополнительное влияние на увеличение опасности затопления увеличения стока, наличия ледовых заторов, инфраструктуры, изменяющей рельеф пойм. Разработанная ранее схема параметризации ледовой опасности была апробирована на новых регионах Европейской территории России, в результате было выделены особенности ледовой опасности не только в стационарных условиях, но и при условии наблюдаемых изменений водного и ледового режима, происходящих как по естественным причинам, так и антропогенным. Были выделены тенденции изменения ледового режима, которые меняют ледовую опасность: сокращение периода ледостава, рост продолжительности периода замерзания, увеличение изменчивости (среднеквадратического отклонения) сроков ледовых явлений, сокращение продолжительности и повторяемости весеннего ледохода, повторяемости выхода воды на пойму в период с ледовыми явлениями. На основе данных 220 гидрологических постов и климатических характеристик холодного периода, рассчитанных на основе результатов численных экспериментов historical (проект CMIP5) были рассчитаны значения характеристик ледового режима для пространственной сетки с расстоянием между узлами 1,75х1,75 градусов по широте и долготе для временных срезов 1986–2005 и 2081–2100 гг. Возможные изменения характеристик ледового режима оценивались для наиболее «жесткого» сценария RCP 8.5 как разность полученных полей. Результаты представлены в виде карт. На основе применения алгоритмов уравнения универсальной эрозии рассчитаны параметры дождевой эрозии крупных бассейнов Российской Федерации (Енисей, Лена, Яна и Камчатка). Для указанных территорий подготовлена параметризации эрозионных процессов по опасности. Показано, что 44% исследуемых территорий относится к 1-му интенсивности почвенной эрозии (среднегодовые темпы < 0.5 т/га). На территории бассейна р. Лена эти территории занимают 76.8% земель, в бассейне р. Яна – 43.7%, р. Енисей – 29.6%, Камчатка – 23.6 %. Исследована широтная зональность параметров эрозии, рассмотрен тренд по увеличению интенсивности эрозии с севера на юг. Результаты сопоставлены с существующими глобальными оценками и прежними исследованиями для территории России. В отчетном году для ряда больших и крупнейших рек России за последние десятилетия выявлены изменения русловых процессов и разработаны прогнозные оценки переформирований их русел вследствие глобальных изменений природной среды и климата, приведших к соответствующим изменениям водности рек, антропогенных воздействий на сами русла и русловые процессы, саморазвития и стадийности развития форм русла и форм руслового рельефа. Это позволило разработать гидролого-географические основы управлении русловыми процессами при воднотранспортном и водохозяйственном освоении и использованием рек и приречных территорий. Предложены принципы ранжирования участков рек по сложности проявления русловых процессов и управления ими, обоснованы подходы и приемы регулирования русла при решении практических задач для обеспечения гидроэкологической и гидротехнической безопасности. Составлена карта опасности русловых процессов на реках России (масштаб 1: 30000000) и выполнено районирование по степени опасности, устойчивости русел и сложности управления русловыми процессами на Оби, Лене и Северной Двине‒Вычегде. Установлено, что применение тех или иных параметров русловых процессов определяется для каждой реки в зависимости от устойчивости ее русла, его морфодинамического типа, степени антропогенной измененности и т.д. В 2018 г. продолжено изучение вопроса параметризации опасных гидрологических процессов и явлений в устьях рек и на морских побережьях, их факторов, а также адаптация имеющихся и разработка новых подходов по обоснованию градаций опасности для основных гидрологических процессов, приведены примеры практического применения теоретических результатов. Обоснованы пять градаций речных наводнений на устьевых участках, главным образом, крупных рек, определены гидрологические условия формирования наводнений каждой категории; уточнены градации опасности стоковых и стоково-ливневых наводнений на черноморском побережье, установлены градации нагонных наводнений в устьях Северной Двины, Дона и Преголя. Построены зависимости между категориями наводнений и формируемым ими ущербом. Сформулированы принципы дифференциации опасных обмелений, градации деления опасных проникновений морских вод на устьевой участок реки. Предложен объектно-пространственный метод ранжирования опасных гидрологических процессов и явлений и расчета интегральной величины потенциальной опасности для устьев рек и побережий. В 2018 г. на основе разработанных в 2017 г. и ранее гидродинамических моделей устьевых областей Северной Двины, Онеги, Кянды, Тамицы и Сёмжи (бассейн Белого моря) выполнены сценарные расчеты, направленные на параметризацию степени опасности гидрологических явлений, таких как стоковые и нагонные наводнения и интрузии соленых вод вверх по руслам рек, в зависимости от интенсивности проявлений речных и морских факторов, а также от морфометрических параметров устьев рек. Разработана методика интегральной оценки, на основе которой выполнено районирование устьев рек Белого моря (Северная Двина, Онега, Кянда, Тамица, Сёмжа) по степени гидрологических процессов. На основании классификации УКИЗВ выполнено районирование территории Российской Федерации по уровню изменений качества воды за 15 летний период – с 2002 по 2016 г. Самые загрязненные водные объекты, для которых постоянно фиксировалось наихудшее гидроэкологическое состояние, расположены в Тульской, Свердловской, Челябинской и Сахалинской областях и в Ямало-Ненецком АО. Незначительное улучшение качества самых загрязненных вод отмечено в период 2012-16 гг. в Ямало-Ненецком АО, Тульской, Челябинской и Сахалинской областях, при этом наблюдается ухудшение гидроэкологического состояния водных объектов Оренбургской области. В целом за весь 15 летний период гидроэкологическое состояние большинства наиболее загрязненных водных объектов территории осталось на прежнем уровне, без ярко выраженных трендов. Улучшилось качество вод в 15 субъектах РФ (в основном на азиатской части территории), ухудшилось – в 8 субъектах РФ, расположенных на ЕТР. Также по результатам проведенного сопоставления оценки качества водоемов различными методами параметризации по гидрохимическим показателям установлено, что для озер и водохранилищ, серьезно подвергшихся антропогенному загрязнению специфическими веществами, например, тяжелыми металлами или органическими соединениями, наиболее объективную оценку качества воды дают комплексные индексы WQI и УКИЗВ. Для водоемов, ключевой проблемой которых является их эвтрофирование, более эффективно использование так называемых экологических классификаций, например, баварского индекса CJ или единого критерия качества вод ЕККВ. В 2018 г. завершен анализ первого опыта комплексной круглосуточной регистрации характеристик метеорологических, гидрологических и продукционно-деструкционных процессов в центральном плесе Можайского водохранилища летом 2016 и 2017 гг. Разработана методика расчета индекса погодной контрастности (ИПК) гидроэкологического режима и показано, что, чем больше величина этого индекса, тем более продуктивен вегетационный сезон того или иного года. Разработана методология параметризации внутриводоемных процессов формирования качества воды слабопроточного водохранилища долинного типа в виде боксовой модели. В результате расчетов по модели такого типа – ГМВ-МГУ на примере гидрометеорологических данных средневодного 2012 г. показана возможность достоверной оценки интенсивности процессов эвазии углекислого газа и кислорода и его инвазии в зависимости от интенсивности продукционно-деструкционных процессов. Анализ среднегодовых величин этих процессов газообмена водной массы водохранилища с атмосферой позволяет оценить интенсивность биопродуктивности в пресных водоемах и интенсивности самоочищения речных водных масс, питающих биопродуктивные водохранилища. Этот вывод показывает целесообразность внедрения биогидрологических модельных расчетов в водохозяйственную практику в системах водоснабжения населения и различных производств. На основе базы данных характеристик эмиссии метана водохранилищами, дополненной авторами материалами собственных измерений, произведена оценка эмиссии метана с поверхности водохранилищ РФ. Данные натурных наблюдений классифицированы с учетом основных факторов, определяющих интенсивность метаногенеза и его эмиссию с поверхности водоемов. В качестве основного фактора предложено использовать величину коэффициента водообмена, характеризующего проточноcть водоемов, определяющую возможность возникновения в них бескислородных условий. Дальнейшее деление учитывает географическое положение водоема, трофический статус водоема и среднюю глубину. Его эмиссия с поверхности водохранилищ РФ оценивается в 0,53 Тг CH4/год. Исследована параметрическая шкала уровней допустимых воздействий поступления твердых частиц на физиологическое состояние и смертность рыб. Проведен анализ опубликованных данных о острых летальных концентрациях взвешенных наносов (степень смертности от 0 до 100 %) для 18 видов рыб из 8 семейств – сельдевые, лососевые, скорпеновые, колюшковые, окуневые, сомовые и карпозубые. С целью выявления механизмов длительного воздействия взвесей на организм рыб, который приводит к гибели, в рамках настоящего проекта проведены специальные эксперименты.

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".