Моделирование процессов формирования стока рек высокогорных территорийНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 3 марта 2014 г.-31 декабря 2014 г. Моделирование процессов формирования стока рек высокогорных территорий
Результаты этапа: 1) Были проведены полевые работы в сезон абляции 2014 (с июня по октябрь) в горно-ледниковом бассейне Джанкуат. В состав работ вошли: Комплексные наблюдения за метеорологическими характеристиками (радиационным балансом, температурой, влажностью воздуха, скоростью и направлением ветра, атмосферным давлением, атмосферными осадками) Измерение стока руч. Джанкуат с часовым временным шагом в течение всего периода абляции 2014. Регистрация уровня воды с часовым ходом проводилась автоматическим самописцем уровня воды Solinst Level logger (Рисунок 1). Для перерасчета уровня воды в расходы воды были построены кривые зависимости расхода от уровня воды руч. Джанкуат для разных месяцев теплого периода. Суммарно было измерено более 40 расходов воды методом ионного паводка (Рисунок 2). Измерение физико-химических свойств воды р.Джанкуат: электропроводности и температуры по 5-6 срокам в день с июня по октябрь 2014, а также за мутностью воды в период с конца августа по середину сентября. Отбор проб на стабильные изотопы (18О) в р.Джанкуат в створе гидрологического поста 2 раза в день с июня по октябрь 2014. Отбор проб снега, фирна и льда на стабильные изотопы (18О) с различных частей ледника Джанкуат, атмосферных осадков, а также из отдельных водотоков бассейна, для определения изотопного состава источников питания р. Джанкуат. Суммарно было отобрано около 400 проб. Была проведена обработка данных полевых наблюдений. Собранные материалы послужили источником информации для исследования механизмов формирования водного стока в высокогорных бассейнах, а также позволили продлить ряд наблюдений за репрезентативным горно-ледниковым бассейном, проводимых коллективом исполнителей гранта с 2007 г. 2) Проведено моделирование моделирования динамики таяния снега и льда в бассейне р.Джанкуат в период с июня по октябрь 2008 года при помощи физико-математической модели таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне, разработанной Е.П. Рец. Данные моделирования были сопоставлены с результатами непосредственных наблюдений на сети абляционных реек. Сопоставление показало хорошую воспроизводимость моделью данных натурных наблюдений. Коэффициент корреляции составляет 0.96, систематическое отклонение фактически отсутствует. Суммарное таяние в бассейне за расчетный период составило от 0¬ – 500 мм в.э на неледниковой части бассейна, до 6000 - 7000 мм в.э. в свободной от морены части языка. Моренный чехол оказывает ярко выраженный экранирующий эффект, за счет чего слой таяния под ним в основном не превысил 1500 - 2000 мм в.э. Относительно небольшой слой таяния (от 2000 до 4000 мм в.э.) отмечается в верхних частях зоны аккумуляции ледника и на малых формах оледенения бассейна (ледники Висячик, Койеавган, Виатау) [Рец, Киреева, Лошакова, 2014]. 3) Сопоставление хода по данным полевых наблюдений суточного объема стока с полученной по результатам моделирования суммарным таянием в бассейне Джанкуат позволяет прежде всего сделать вывод о том, что не вся талая вода разгружается с водосбора ручья в течение сезона абляции. Это связано, прежде всего, с переходом части талой воды снова в твердую фазу в процессе конжеляции и попаданием в глубинные регулирующие емкости бассейна, что обуславливает сток р.Джанкуат в течении зимнего периода [Рец, Киреева, Лошакова, 2014]. В целом, суточные волны таяния снегах на участках бассейна со значительной толщиной снежного покрова сильно распластываются при добегании до замыкающего створа. Время, необходимое для просачивания через снежный покров толщиной 4−6 метров и добегания талой воды из фирновой зоны ледника Джанкуат до замыкающего створа может составлять по результатам проведенных оценок от 10–12 до 20–25 суток [Рец, Лошакова, Киреева, 2014]. Вследствие этого при общей синхронности колебаний суммарного суточного таяния и стока с бассейна, наблюдается значительный разброс точек соответствующей эмпирической зависимости. В начале периода абляции, когда мощность снежного покрова максимальна, суммарное таяние в бассейне наиболее сильно превышает сток с бассейна, а зависимость суточного объема стока от суммарного таяния в бассейне вовсе не выражена (июньские точки).Данные факторы определяют значительную степень инерционности процессов стока с бассейна ледниковой реки, выражающайся в высоких значениях коэффициента автокорреляции. Внутрирядная связность суточных расходов воды р.Джанкуат прослеживается до 1 недели. Коэффициент автокорреляции объемов суточного стока при сдвиге на 1 сутки составляет 0.95, на двое − 0.87, на 5 суток − 0.64. Максимум водоотдачи аккумулируемой ледником воды достигается в середине июля, с чем связано общее увеличение водности р. Джанкуат в данный месяц и превышения объемом стока объема таяния в бассейне [Рец, Лошакова, Киреева, Чижова, 2014]. 4) Для высокогорных рек с большой долей оледенения бассейна характерна сложная структура питания, определяющая водный и гидрохимический режим стока. В структуре питания ледниковой реки обычно выделяют следующие компоненты: (а) таяние льда и фирна с различных частей ледника (зона абляции/аккумуляции); (б) таяние сезонного снега, как с ледниковой, так и с неледниковой части бассейна; (в) летние дождевые осадки; (в) подземные воды. При этом каждая из этих компонент может добегать по поверхности водосбора до замыкающего различными способами. Это обуславливает сложные закономерности формирования изотопного и солевого состава воды ледниковой реки и отсутствия прямой зависимости концентрации изотопов и солевого состава от таяния ледникового комплекса бассейна (Рец, Лошакова, Киреева, Чижова, 2014). 5) В характере сезонного хода изотопного и гидрохимического состава воды р.Джанкуат в замыкающем створе отражаются метеорологические и гидрологические условия в бассейне. Основной погодной особенностью в ходе сезона абляции 2013 г было преобладание пасмурной погоды и повышенное число осадков, что стало причиной низкой интенсивности таяния в бассейне, и относительно меньшей водности р.Джанкуат летом 2013 г в многолетнем разрезе. 6) Гидрохимический анализ отобранных проб на солевой состав позволил получить связь минерализации р.Джанкуат с электропроводностью, которая будет использована при решении уравнений ионного баланса в бассейне. С точки зрения содержания солей все составляющие питания в бассейне р.Джанкуат относятся к группе очень малой минерализации по классификации О. А. Алекина. Отобранные пробы талых вод с ледника принадлежат классу гидрокарбонатно-кальциевых 1, 2 и 3 типа по классификации О.А. Алёкина. Дождевые воды, собранные на высоте 2650 м, относятся также к классу гидрокрбонатно-кальциевых первого типа. Минарализация талых вод и отобранных проб атмосферных осадков в целом варьируется от 2,2 до 6,3 мг/л. При этом для талой воды ото льда характерная меньшая минерализация, чем от сезонного снега. Минерализация воды в анализируемых водотоках бассейне р.Джанкуат колеблется от 40 до 90 мг/л, что свидетельствует о более значительной минерализации подземных вод, а также значительном насыщении сезонных талых и дождевых вод в процессе добегания по поверхности водосбора и по ложу ледника (Чижова, Буданцева, Рец, Лошакова, Поповнин, Васильчук, 2014).
2 12 мая 2015 г.-31 декабря 2015 г. Моделирование процессов формирования стока рек высокогорных территорий
Результаты этапа: По результату выполнения поставленных задач были раскрыты механизмы в сфере понимания процессов формирования стока в пределах высокогорных территорий. Одновременное решение уравнения водного, ионного и изотопного баланса по данным натурных наблюдений позволило оценить соотношение составляющих питания р. Джанкуат. Были продлены многолетние гидрологические наблюдения в репрезентативном горно-ледниковом бассейне Джанкуат, по расширенной программе, с использованием новых методов и средств. Данная информация крайне важна для разработки и верификации моделей формирования стока высокогорных рек, поскольку данные репрезентативный бассейн по степени изученности не имеет аналогов в России. Используемый авторами совместный метод физико-математического моделирования таяния снега и льда и изотопно-гидрохимические методы были впервые применены в России в исследованиях формирования стока в горно-ледниковом бассейне Центрального Кавказа. Даже в мировой практике подобные исследования не столь часты, а методы требует дополнительных уточнений и практических реализаций (Williams et al, 2009). С использованием полученных в результате полевых исследований данных, а также анализа существующей иностранной литературы, была доработана разработанная участниками данного проекта физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне (Рец и др., 2015). Результаты моделирования были сопоставлены с натурными наблюдениями за гидрологическими, метеорологическими и гляциологическими параметрами в горно-ледниковом бассейне руч. Джанкуат. Данная модель в настоящий момент может служить основой для создания физико-математической модели формирования стока рек горных территорий, необходимой для мониторинга и предупреждения опасных гидрологических процессов в пределах горных территорий Российской Федерации.

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".