Речные наносы в эрозионно-русловых системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, доктор наук Чалов Сергей Романович
Чалов Сергей Романович
доктор наук
2021
- Специальность ВАК РФ25.00.27
- Количество страниц 358
Оглавление диссертации доктор наук Чалов Сергей Романович
Введение
Глава 1. Основные понятия теории речных наносов
1.1. Физические и химические свойства речных наносов
1.2. Эрозионно-русловые системы
1.3. Количественные характеристики перемещения наносов в ЭРС. Баланс наносов
1.4. Гидролого-геохимический подход к изучению ЭРС
Глава 2. Методы изучения речных наносов в эрозионно-русловых системах
2.1. Характеристика мониторинговых (сетевых) данных о стоке наносов
2.2. Методы полевых измерений
2.2.1. Методы измерения мутности воды
2.2.2. Методы измерения влекомых наносов
2.2.3. Геохимические методы исследования
2.3. Дистанционные методы
2.3.1. Дистанционные методы определения мутности воды и баланса взвешенных наносов
2.3.2. Метод индикации плановых переформирований
2.4. Статистические методы обработки данных
2.5. Численные методы
2.5.1. Модели бассейновой дождевой эрозии
2.5.2. Методы оценки задержки наносов в водохранилищах
Глава 3. Гидролого-геохимические закономерности переноса наносов русловыми потоками
3.1. Движение наносов в русловом потоке
3.2. Дифференциация взвешенных наносов по механическому и химическому составу
3.3. Гидролого-геохимическая шкала речных наносов
Глава 4. Формирование стока и состава речных наносов в эрозионно-русловых системах
4.1. Общие закономерности формирования стока наносов ЭРС
4.1.1. Территориальные закономерности баланса наносов
4.1.2. Баланс стока наносов в Мировой океан
4.2. Специфические условия формирования стока наносов
4.2.1. Эрозионно-русловые системы в условиях горнодобывающей деятельности
4.2.2. Эрозионно-русловые процессы в условиях нереста лососевых рыб
Глава 5. Временная изменчивость транспорта речных наносов
5.1. Эволюционно-хронологическая систематика эрозионно-русловых систем
5.2. Многолетняя изменчивость стока наносов
5.3. Сезонная изменчивость стока наносов
5.4. Синоптические колебания стока наносов
5.5. Макротурбулентные изменения стока наносов
5.6. Эпизодические экстремальные изменения стока наносов
284
Глава 6. Экологические функции речных наносов и подходы к их нормированию
6.1. Воздействие наносов на сообщества речных организмов
6.2. Влияния донных отложений на пресноводную фауну
6.3. Влияние мутности воды на речные ихтиоцены
6.4. Рыбохозяйственное нормирование содержания взвешенных веществ
295
292
308
301
292
Заключение
Список литературы
321
317
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», 25.00.27 шифр ВАК
Изменчивость мутности речных вод в разные фазы водного режима2016 год, кандидат наук Промахова Екатерина Васильевна
Формирование стока взвешенных наносов в бассейнах малых горных рек: общие закономерности и региональные особенности2019 год, кандидат наук Цыпленков Анатолий Сергеевич
Сток взвешенных наносов рек Камчатского края2013 год, кандидат наук Куксина, Людмила Вячеславовна
Пространственно-временная изменчивость химического состава наносов рек российской Арктики2023 год, кандидат наук Ефимов Василий Антонович
Сток наносов и его проявления в морфодинамике речных русел2007 год, кандидат географических наук Резников, Павел Николаевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Речные наносы в эрозионно-русловых системах»
Введение
Актуальность работы. Бассейны рек и составляющие водосборы временных и постоянных водотоков - транзитная зона материковой части глобального круговорота воды. Здесь происходит формирование речного стока, к которому относят сток воды, наносов, растворенных веществ, тепла [Муравейский, 1960]. Перемещение наносов является проявлением эрозионно-аккумулятивных процессов - взаимодействия водных потоков и подстилающей поверхности [Алексеевский, 1998]. Оно определяет нисходящий литодинамический поток и образует особую пространственную структуру в пределах речных бассейнов - каскадные эрозионно-русловые системы (ЭРС) [Чалов Р.С., 1999]. Нижние - речные звенья ЭРС осуществляют по русловой сети транспорт наносов, поступающих со склонов, из овражно-балочной сети и образующихся в результате русловых деформаций.
Речные наносы - важнейшая производная денудации, фактор и выражение русловых процессов. Они определяют перемещение в реках широкого спектра химических веществ - солей, тяжелых металлов, биогенных и органических элементов, радионуклидов, бактерий и вирусов, в результате чего становятся причиной глубоких изменений в ландшафте [Перельман, 1961]. Вопросы, связанные с речными наносами, традиционно изучаются географо-гидрологическими и гидравлическими (гидродинамическими) методами в рамках гидрологии, эрозиоведения и русловедения; эколого-геохимическими методами в рамках геохимии, геоэкологии и водной экологии. В последние годы значимые исследования, относящиеся к первой группе, были выполнены в глобальном масштабе [Borrelli et al., 2017; Cohen, Kettner, Syvitski, 2014; Milliman, Famsworth, 2013; Syvitski, Kettner, 2011; Walling, Fang, 2003], а также на уровне отдельных регионов и бассейнов [Brown et al., 2009; Hinderer, 2012; Walling, Collins, 2016]. В России последние обобщающие работы по стоку наносов связаны с работами 15-летней и более давности, когда появились на свет фундаментальные труды Н.Н. Бобровицкой [1992], Н.И. Алексеевского [1993; 1998] и В.Н. Голосова [2003; 2006]. Современные исследования проводились на региональном уровне (труды А.В. Гусарова [2003; 2004; 2015]; Д.В. Магрицкого [2011; 2013]; Ш.Р. Позднякова [2011]; Т.Г. Потемкиной [2011; 2015]; М.В. Шмаковой [2015; 2020]). Развитие методов оценки донных (влекомых) наносов проводилось в работах М.Р.
Гусейновой [2004], З.Д. Копалиани [2004], А.Ю. Сидорчука [2015], М.В. Шмаковой [2020] и др.; с помощью эмпирической и полуэмпирической параметризации развивались модели бассейновой эрозии [Литвин, 2002; Лисецкий и др., 2012], на основе которых выполнено районирование почвенной и овражной эрозии Поволжья [Ермолаев, 2002] и Предуралья [Гареев, Хабибуллин, 2010]. Эколого-геохимические исследования, посвященные механической миграции, были направлены на изучение связи состава материкового стока речных наносов с гидроклиматическими особенностями территорий [Савенко, 2006; Viers, Dupré, Gaillardet, 2009], геохимическими аномалиями [Gaillardet, Viers, Dupré, 2013; Horowitz, 2008], уровнем техногенной нагрузки [Эколого-географический атлас-монография «Селенга-Байкал», 2018; Касимов, 2013; Turner, Brewer, Macklin, 2008; Verstraeten, Lang, Houben, 2009]. В работах В.С. Савенко [2006], D. Viers et al [2009], В.В. Гордеева [2011] были выполнены обобщения по химическому составу взвешенных наносов рек мира. Указанные исследования выполняются изолированно друг от друга, что препятствует созданию единой теории формирования стока и состава наносов.
Речные наносы отожествляются с понятиями муть (термин В.И. Вернадского [Вернадский, 1960]), взвесь, седименты, твердофазное вещество, минеральные частицы. Различные классификации речных наносов по признакам их гидромеханического [Караушев, 1977; Дебольский, 1986] и гранулометрического [Поздняков, 2011] составов, формам транспорта [Knighton, 1996; Алексеевский, 1998] и формам миграции микроэлементов [Линник, Набиванец, 1984; Савенко, 2006] не согласованы между собой. Существует несоответствие между численными, экспериментальными и мониторинговыми подходами к изучению стока наносов в пределах речных ЭРС. Несмотря на большое количество работ, посвященных соотношению суммарной эрозии на водосборе и стока наносов в замыкающем створе бассейна [Эрозионно-русловые системы, 2017; Голосов, 2006; Collins et al., 2017; Gellis, Mukundan, 2013], почти не изучается вклад русловых деформаций в формирование потока наносов и его химического состава. Отсутствуют работы, посвященные гидрологическим закономерностям формирования состава потока наносов. Исследования формирования химического состава речных наносов традиционно выполняются исключительно для взвешенных форм транспорта или донных отложений, их отличает высокая неопределенность оценок [Navratil et al., 2011; Rode, Suhr, 2007]. Распространенная схема распределения химических элементов в составе речных вод «вода - взвешенные наносы - донные отложения» [Папина, 2001; Lick, 2008] не учитывает гидравлическую сортировку состава наносов [Bouchez et al., 2011b; Lupker et al., 2011]. Отсутствуют сведения о химическом составе влекомых наносов и особенно их роли в миграции таких экологически важных веществ, как тяжелые металлы. В результате относительно слабо изучена экологическая роль транспорта наносов в речных экосистемах [Русанов, Зюсько, Ольшванг, 1990; Kemp et al., 2011]. Отсутствие соответствующих научных разработок находит отражение в несовершенстве существующих требований к составу и свойствам воды водных объектов рыбохозяйственного
значения [Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы ПДК вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения, 2011], методик расчета ущерба водным биоресурсам при ведении хозяйственной деятельности [Методика исчисления размера вреда..., 2011], ведении мониторинга различных видов хозяйственной деятельности и др.
Все это определяет актуальность изучения гидролого-геохимических закономерностей транспорта и состава речных наносов в эрозионно-русловых системах. Своевременность этих исследований связана также с тем, что в условиях климатических изменений и меняющегося антропогенного воздействия наблюдается быстрая трансформация эрозионно-русловых систем, что, с одной стороны, требует актуализации данных о стоке и составе наносов; с другой стороны, взрывное развитие методов и технологий натурных и лабораторных исследований стока и состава наносов создает условия для новых теоретических и методологических разработок в этой области.
Предмет исследования: изучение речных наносов, их транспорта, механического (гранулометрического) и химического состава. Объектом исследования являются речные звенья каскадных эрозионно-русловых систем (малые, средние и крупные реки).
Цель исследования: выявление механизмов и количественная оценка формирования и пространственно-временной изменчивости транспорта и состава речных наносов в пределах эрозионно-русловых систем.
Задачи:
I. Развитие гидролого-геохимического подхода к изучению характеристик баланса и химического состава речных наносов на разных уровнях эрозионно-русловых систем.
II. Научное обоснование набора полевых, сетевых, дистанционных и численных методов исследования речных наносов и оценка точности их применения.
III. Исследование закономерностей пространственно-временной изменчивости форм транспорта, физических и химических характеристик речных наносов.
IV. Исследование баланса наносов и его химического состава в глобальном (общемировом) масштабе и в пределах отдельных речных бассейнов, в том числе в условиях горнодобывающей деятельности и массового нереста лососевых рыб.
V. Исследование многолетней, сезонной, синоптической и внутричасовой (макротурбулентной) изменчивости стока и состава наносов и соотношений между ними.
VI. Разработка классификации воздействий речных наносов на сообщества речных организмов, определение критических диапазонов изменений мутности воды для ихтиоценов.
Предметом защиты является решение фундаментальной научной проблемы — разработки теоретических и методологических основ изучения речных наносов в эрозионно-русловых системах, в
том числе особенностей формирования и пространственно-временной изменчивости их стока и состава.
Защищаемые положения:
1. Количество перемещаемых наносов и их состав формируются под влиянием эрозии, транспорта (миграции), аккумуляции, физико-химических и биологических процессов, что определяет единство гидролого-геохимических подходов к их изучению.
2. Исследование баланса и состава наносов основано на интегральном использовании мониторинговых, экспедиционных, дистанционных и численных методов.
3. Гранулометрический состав - универсальный фактор дифференциации потока наносов по форме транспорта и химическому составу, определяющий единство гидролого-геохимической шкалы.
4. Бассейны крупных рек России представляют собой области аккумуляции, в которых основная часть продуктов бассейновой эрозии не достигает устьев. Ведущая роль в формировании стока речных наносов принадлежит русловым факторам - размывам берегов и задержке наносов в днищах речных долин и в водохранилищах.
5. Многолетние, сезонные и синоптические изменения стока наносов широкопойменных рек определяются режимом русловых деформаций. Внутричасовые колебания мутности соответствуют разным частотам спектра турбулентных возмущений скоростного поля речного потока.
6. Мутность воды является важнейшим экологическим параметром речных наносов. Дифференциация ее критических (допустимых) значений для разных семейств ихтиофауны определяет региональные принципы рыбохозяйственного нормирования.
Новизна исследования связана с выявлением гидролого-геохимических закономерностей формирования и транспорта речных наносов и их экологических функций.
1. Впервые закономерности формирования состава речных наносов и их транспорта речными потоками рассматриваются с единых позиций. Выполнена оценка особенностей распределения химических элементов между взвешенными и влекомыми наносами, и получены эмпирические подтверждения существования количественных соотношений между гидравлическими параметрами потока и химическим составом наносов.
2. В максимально высоком пространственном разрешении 3" х 3" проведены оценки эрозии почв на основе универсального уравнения RUSLE для шести водосборов рек бассейна Северного Ледовитого океана (р. Обь, Енисей, Лена, Яна, Индигирка и Колыма), бассейна р. Камчатки и бассейна р. Дон. Таким образом, крупномасштабными расчетами была покрыта значительная часть территории РФ. Дополнительно для 111 водохранилищ рек РФ объемом больше 0.1 км были выполнены оценки наносоудерживающей способности и заиления. На основе реализации
метода идентификации плановых переформирований (ИПП) проведены расчеты объемов поступления наносов за счет размывов берегов нижней Оби ниже слияния с р. Вах, нижнего Иртыша (ниже г. Горноправдинск), Енисея (ниже с. Ярцево, 1500 км русла), более 8000 км русловой сети рек бассейна Селенги и 650-километрового участка р. Камчатка с глубиной анализа до 50 лет. Предложена глобальная оценка стока взвешенных и влекомых наносов в Мировой океан, выполненная по единой методологии, для более чем 1500 рек мира.
3. Впервые системно исследуются и обосновываются пространственно-временные закономерности проявления ведущей роли русловых процессов в балансе наносов. Соответствующие оценки выполнены как в масштабе отдельных речных бассейнов, так и в глобальном масштабе, а также для таких антропогенно преобразованных ЭРС, как долины рек, нарушенные горнодобывающей деятельностью. Изучено влияние русловых процессов на формирование многолетней, сезонной и синоптической изменчивости стока наносов широкопойменных рек.
4. Осуществлены региональные оценки характеристик стока и химического состава наносов в разных временных масштабах (от внутрисуточных до многолетних) и при разном сочетании природных и антропогенных факторов. Выполнено научное обоснование изучения быстрых (с характерной частотой 20 минут) изменений мутности речных вод, соответствующих низкочастотной области спектра пульсаций скорости речного потока и макротурбулентным изменениям.
Теоретическая и практическая значимость работы.
В работе развивается междисциплинарный подход к изучению эрозионно-русловых систем, основанный на интегральном представлении о перемещении различных материальных сред (жидкости, твердых тел, дисперсных систем), затрагивающем разнообразные аспекты гидрологических, геохимических и экологических явлений. Сформулированы подходы к изучению организации и форм перемещения вещества в эрозионно-русловых системах (ЭРС), направленные на систематизацию знаний о формировании и транспорте наносов и их химическом составе. Выполнены научное обоснование и апробация единых гидролого-геохимических методов изучения формирования и переноса речных наносов в эрозионно-русловых системах, основанных на использовании набора географо-гидрологических, гидравлических и геохимических методов. Обоснована универсальная гидролого-геохимическая шкала распределения состава речных наносов. Систематизированы оценки пространственно-временной изменчивости стока и состава речных наносов для разных интервалов эволюционно-хронологической шкалы эрозионно-русловых систем в расширенном диапазоне времени от геологических масштабов до спектра пульсаций скорости речного потока (макротурбулентные колебания).
Практическая значимость работы связана с научным обоснованием новых методов и протоколов измерения характеристик стока наносов - мутности воды с использованием оптических, дистанционных и акустических методов; расхода взвешенных и влекомых наносов по данным доплеровских профилографов; отбора проб взвешенных наносов с применением авторской установки зонда-ловушки взвешенных наносов. Обобщены принципы и методика получения разных типов данных, дается оценка их точности и приводится обоснование рекомендаций по их применению. Для соответствующих типов измерений разработаны протоколы, размещенные в сети Интернет на ресурсе https://sediment.ru/. Разработаны система определения расхода наносов по данным доплеровских измерений АДПТ и технология отбора интегральных проб взвешенных наносов на разных горизонтах речных потоков (авторская установка - патент на полезную модель № 201927 «Зонд-ловушка для взвешенных наносов»). Зонд-ловушка впервые в практике позволяет получать образцы взвешенных наносов с разных глубин крупных рек.
Разработаны региональные подходы к нормированию содержания взвешенных наносов в реках, реализуемые на бассейновом уровне с учетом состава ихтиофауны и фоновых условий. На примере разных фаунистических комплексов рыб рек России определены диапазоны изменения мутности и стока наносов, соответствующие опасным изменениям экологического состояния рек.
Результаты используются при чтении курсов «Водохозяйственные расчеты», «Русловые процессы» и проведении полевых учебных практик на географическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова; чтении курса «Гидрология с основами гидробиологии» на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова; чтении лекций в Институте географии Университета им. Казимира Великого (Быдгощ, Польша) и ФГБОУ «Институт повышения квалификации Росгидромета».
Личный вклад автора
В основе работы лежит обобщение результатов полевых исследований автора на реках Российской Федерации (Лена, Енисей, Колыма, Северная Двина и ее притоки, Обь, Селенга, Ока, Москва, Протва, Сетунь, рек Камчатки и о. Сахалин), Польши (Висла), Монголии (реки бассейна Селенги), Италии (бассейн р. Сьева), Швеции (бассейн р. Тарфала). На этой основе созданы массивы данных о расходах взвешенных и влекомых наносов и гранулометрическом составе взвеси (более 900 определений). Выводы, касающиеся химического состава наносов, основаны на обобщении данных о содержании микроэлементов в воде, взвешенных и влекомых наносах, анализировавшихся методами ICP-MS и ICP-AES (всего - более 1000 определений на реках бассейна Селенги, Лены, Колымы, Енисея и Оби). Обработаны 37 рядов высокочастотных записей мутности (с интервалом записи от 10 секунд до 30 минут и продолжительностью до 150 дней) с автоматических регистраторов, устанавливавшихся в 2012-2019 гг. на 16 реках.
Автором собраны и обработаны гидролого-геохимические данные о влиянии горнодобывающей деятельности на сток наносов, основанные на гидроэкологическом мониторинге воздействия добычи россыпной платины в бассейне р. Вывенка (Корякия), проводившемся с 2003 по 2015 г., и дополненные мониторинговыми наблюдениями в районах добычи россыпного золота в бассейне р. Лангери (о. Сахалин) (2015-2016), р. Туул (Монголия) (2011-2015) и месторождений апатит-нефелиновых пород р. Юкспоррйок (Хибинский горный массив) (2017-2018) и меди в бассейне р. Наутанен (Швеция) (2017-2018).
В среде ArcGIS реализованы численные расчеты определения мутности воды по космическим снимкам, оценки объемов наносов, поступающих в результате размыва берегов, расчеты дождевой эрозии в пределах водосборов крупнейших рек РФ и объемов накопления наносов и химических веществ в крупнейших водохранилищах России. Проведены расчеты суммарного стока наносов (взвешенных и влекомых) для более чем 1500 рек мира, впадающих в Мировой океан. Количественное дешифрирование мутности воды выполнено на основе серий снимков LandSAT для 200-километрового участка р. Лена в районе г. Якутска (90 снимков за период с 1992 по 2018 г.) и участка р. Лена от устья р. Алдан до устья р. Вилюй (30 снимков за период с 1999 по 2020 г.), дельты р. Селенга (82 снимка за период с 1989 по 2015 г.), дельты р. Верхняя Ангара (90 снимков за период с 1986 по 2018 г.), дельты р. Лена (50 снимков за период с 1999 по 2019 г.) и дельты р. Колыма (70 снимков за период с 1999 по 2019 г.).
Указанные виды работ выполнены самим автором либо при его непосредственном участии как на стадии полевых, камеральных и лабораторных работ, так и при интерпретации и апробации их результатов, в ходе выполнения более чем 30 научных проектов (гранты РНФ, РФФИ, РФФИ-ГФЕН Китая, РГО, государственные контракты и хозяйственные договора, в десяти из которых автор выступал в качестве руководителя).
Апробация результатов работы.
Полученные результаты были лично представлены автором в форме устных докладов на следующих научных мероприятиях.
Зарубежные научные мероприятия: Международная конференция «Экологические проблемы в предгорной зоне» (Польша, 2008); 11th International Symposium on River Sedimentation, South Africa, 2010; International Conference on the Status and Future of the World's Large Rivers, 2011, Vienna, Austria (приглашенный доклад "Channel changes of the rivers of Russia"); Генеральная ассамблея 25th IUGG General Assembly 2011 (Австралия, июнь 2011); 32-й Международный Географический Конгресс (Германия, август 2012); конференция «Sediment transport modeling in hydrological watersheds and rivers» (Турция, ноябрь 2012); конференция "Bringing together Selenga-Baikal research 2012" (Швейцария, ноябрь 2012) генеральная ассамблея EGU 2013 (Австрия, апрель 2013); IGU Regional Conference "Changes, challenges, responsibility" (Польша, август 2014); конференция "Bringing together Selenga-Baikal research 2014" (Германия, октябрь 2014); немецкий Гидрологический Съезд (Германия, ноябрь 2014); Генеральная ассамблея 26th IUGG General Assembly 2015 (Чехия, июнь 2015); Международный симпозиум World's Large Rivers Initiative (Австрия, июнь 2015); Конференция Немецкого Географического Союза (октябрь 2015); конференция "2nd Pan-Eurasian Experiment (PEEX) Science Conference 2016"
(Китай, май 2016); Конференция "Arsenic in the environment" (Швеция, июнь 2016); Конференция Bringing Together Selenga-Baikal Research-3 (США, ноябрь 2016); конференция комиссии по континентальной эрозии Международной ассоциации гидрологических наук (ICCE IAHS) Integrating monitoring and modelling for understanding, predicting and managing sediment (Великобритания, июль 2016); конференция "Human Impact on the Fluvial Processes of Eurasian Rivers" (Польша, сентябрь 2016); 3rd International Conference on the Status and Future of the World's Large Rivers (Индия, 2017); 1st Joint Research Symposium Lomonosov Moscow State University & Ludwig Maximilians Universität (Германия, ноябрь 2017); Международная конференция Global Wetland Ecohydrology Network (Колумбия, апрель 2018); Pan Eurasian Experiment implementation conference 2019 (Финляндия, 2019); Генеральная ассамблея наук о Земле, EGU2020 (апрель 2020); Форум принца Альберта "Arena for the gap analyses in the Arctic Science - AASCO" (ноябрь 2020).
Научные мероприятия в Российской Федерации (в том числе международные): пленарные совещания Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ульяновск, 2005; Чебоксары, 2006; Новочеркасск, 2007; Калуга, 2008; Астрахань, 2010; Ижевск, 2012; Архангельск, 2016; Уфа, 2017; Курск, 2020); конференции молодых ученых при Межвузовском научно-координационном совете по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Пермь, 2002; Брянск, 2004; 2006, Волгоград. 2006; Курск, 2008; Уфа, 2010; Волгоград, 2012; Белгород, 2014; Нижний Новгород, 2016); третья конференция ДВО РАН «Чтения памяти Владимира Яковлевича Леванидова» (2005, Владивосток), научная конференция «Фундаментальные проблемы изучения и использования водных ресурсов» (2005, Иркутск), VII научная конференция «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (2006, Петропавловск-Камчатский); X симпозиум по речным наносам ISRS-10 (Москва, 2007); конференции «Маккавеевские чтения» (Москва, 2007 и 2012); Чтения памяти академика К.В. Семакова (Магадан, 2009); Международная конференция «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2009); VII научная конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, декабрь 2009); Российско-итальянский симпозиум "Water Erosion and mass movement" (Москва, октябрь 2010); конференция "Social and environmental responsibility of mining. Russian and international experience" (Москва, 2012); VII Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2013); региональная конференция Международного географического союза IGU (Москва, 2015); Всероссийская конференция с международным участием Ломоносовские чтения (Москва, 2018); XIV общероссийская научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2018); конференция "Green technologies and infrastructure to enhance urban ecosystem services" (Москва, май 2018); 2-й Международный Молодежный Форум по Сохранению Почв и Вод Суши и симпозиум ICCE (2nd IYFSWC/ICCE 2018, Москва 2018); Всероссийская научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования в гидрометеорологии, водном хозяйстве и геоэкологии» (Уфа, 2019); V Всероссийская научная конференция с международным участием «Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях» (Москва, 2019).
Диссертация была доложена на семинарах кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ (сентябрь 2019), кафедры моделирования экологических систем ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» (март 2019), кафедры гидрометеорологии и геоэкологии Башкирского государственного университета (март 2019) и отдела гидрологии речных бассейнов Института водных проблем РАН (апрель 2019).
Результаты исследований изложены в более чем 100 научных публикациях формата статей, в том числе 83 научных изданиях, определенных в п. 2.3 Положения о присуждении ученых степеней в
Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова, а также 7 монографиях и главах в коллективных монографиях (в соавторстве) и одном учебном пособии.
В рамках развития методических средств изучения речных наносов зарегистрировано 3 патента на полезную модель: Патент на полезную модель «Седиментационная ловушка», Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова (Патент № 120776, дата подачи заявки 27.09.2012); Патент на полезную модель «Седиментационная ловушка для малых водотоков» (Патент № 127471, дата подачи заявки 27.04.2013); Патент на полезную модель «Зонд-ловушка для взвешенных наносов» (патент № 201927 от 21.01.2021).
Благодарности
Становлением в профессии автор обязан двум людям - отцу, профессору Р.С. Чалову, и научному
руководителю курсовых, дипломной и кандидатской работ проф. [НИ. Алексеевскому|. Важную роль в развитии научных взглядов сыграл акад. Н.С. Касимов. Большую помощь на разных этапах работы оказали д.г.н. В.Н. Голосов и д.г.-м.н. В.С. Савенко. Автор благодарен всем им за приобщение к научной школе географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, всестороннюю поддержку и советы.
Появление этой работы не было бы возможно без совместных исследований, экспедиций и обсуждений с сотрудниками кафедры гидрологии суши, лаборатории эрозии почв и русловых процессов, кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ, кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ, ИВП РАН - в первую очередь к.г.н. В.М. Морейдо, к.г.н. М.Ю. Лычагина, к.г.н. П.Н. Терского, к.г.н. М.А. Самохина, к.г.н. А.С. Завадского, к.г.н. Г.Л. Шинкаревой, к.г.н. А.Г.Косицкого, к.г.н. Д.В. Магрицкого,
A.М. Вервальда, Д.И. Школьного, а также коллег из университета Стокгольма, Швеция (Jerker Jarsjo и Jan Pietron), университета Райса, США (проф. J. Nittrouer), Гельмгольц-центра по окружающей среде, Германия (проф. D. Karthe и P. Theuring), университета Павия, Италия (проф. Michael Maerker) университета г. Быдгощ, Польша (Michal Habel и Dawid Schaetten). Бесценная помощь в оформлении работы была оказана Е.Р. Чаловой и М.Р. Вервальд.
Особо автор благодарит за 17 лет плодотворной совместной работы коллег из Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО) - к.б.н.
B.Н. Лемана, к.б.н. Е.В. Есина и к.г.н. С.Л. Горина. Многие исследования состоялись благодаря сотрудникам Байкальского института природопользования СО РАН, Российско-монгольской Комплексной биологической экспедиции РАН-МАН, Камчатского филиала ВНИРО, Института
Похожие диссертационные работы по специальности «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», 25.00.27 шифр ВАК
Методология решения геоэкологических задач, связанных с оценкой твердого стока водных объектов2020 год, доктор наук Шмакова Марина Валентиновна
Оценка влияния хозяйственной деятельности на формирование стока взвешенных наносов (на примере бассейна р. Белой)1984 год, кандидат географических наук Загорский, Владимир Александрович
Геохимия тяжелых металлов и металлоидов в компонентах аквальных ландшафтов бассейна р.Селенги2018 год, кандидат наук Шинкарева Галина Леонидовна
Гидролого-морфодинамический анализ русел и опасные проявления русловых процессов на равнинных реках Обь-Иртышского бассейна (лесная зона)2022 год, кандидат наук Куракова Анна Александровна
Русловые процессы на реках Камчатки2009 год, кандидат географических наук Ермакова, Александра Сергеевна
Список литературы диссертационного исследования доктор наук Чалов Сергей Романович, 2021 год
Прочие источники
Единые закономерности форм транспорта, физических и химических характеристик речных
наносов
Временная изменчивость
Оценка экологических последствий развития эрозионно-русловых систем
Рисунок 1.16. Схема гидролого-геохимических исследования стока и состава речных наносов в ЭРС
Развитие гидролого-геохимической концепции исследования связано с применением интегрального подхода к изучению ЭРС на основе использования экспедиционных, мониторинговых, дистанционных и численных данных, получаемых как прямыми, так и косвенными методами измерений и расчетов [Walling, 2003; Hassan, Ergenzinger, 2005; Evrard et al., 2013; Porto et al., 2013]. Их адаптация к конкретной ЭРС позволяет получить набор сопоставляемых и взаимодополняемых оценок для разных пространственных уровней [Голосов и др., 2010]. Набор тех или иных методов отличается при применении для разных уровней ЭРС [Чалов С.Р., 2017a]: особые подходы характерны при изучении поступления вещества с водосбора в русловую сеть (1); стока и состава наносов в пределах русловой сети (2); режима массопереноса и миграции элементов в устьевых областях (3) (рис. 1.17). Выбор тех или иных методов анализа для конкретных ЭРС определяется наличием мониторинговых и эмпирических данных; для ряда процессов (бассейновая эрозия, задержка наносов в водохранилищах) эти данные, как правило, отсутствуют, что обуславливает использование численных методов. Оценка поступления наносов с водосбора осуществляется на основе бассейновых моделей эрозии разной детализации (от формально-статистических до динамико-статистических с полураспределенными и распределенными параметрами) [Лисецкий и др., 2012]. Для оценки баланса наносов по длине русловой сети используются в основном мониторинговые, а также экспедиционные [Алексеевский и др., 2013] и косвенные [Hassan, Ergenzinger 2005] данные, а также результаты гидродинамического моделирования [Pietron et al., 2015]. Для задач определения русловой эрозии
безальтернативными являются методы дистанционного зондирования. Дискретность концептуальной схемы (рис. 1.17) позволяет учесть роль важнейших процессов формирования баланса наносов и их пространственную неоднородность: возрастающее влияние русловых источников в нижнем течении рек и, наоборот, преобладающую роль эрозионных процессов на водосборе в верхних звеньях речной сети, где отмечаются максимальные значения коэффициентов доставки наносов [Голосов и др., 2010]. В ЭРС особую роль в преобразовании стока наносов играют дельтовые области, которым в условиях бифуркации речного стока характерна масштабная трансформация массопереноса [Чалов С.Р. и др., 2017]. Здесь на первый план выходят методы дистанционного зондирования для определения характеристик потока наносов, актуальность применения которых обусловлена эпизодическим нерегулярным характером наблюдений и трудоемкостью проведения гидрометрических работ по всей акватории дельт. Сопоставление данных, полученных для разных уровней, позволяет получить единую схему изучения стока и состава наносов в ЭРС. Результаты могут корректироваться в зависимости от реализации косвенных методов, направленных на интегральную оценку перемещения наносов в пределах речных бассейнов (трассеры, методы «отпечатков пальцев» и др.). Наличие специфических факторов изменения массопереноса определяет необходимость включения в схему специальных расчетных блоков, связанных, например, с оценкой аккумуляции наносов в водохранилищах.
Рисунок 1.17. Обобщенная концептуальная схема изучения потока наносов в ЭРС
Глава 2. Методы изучения речных наносов в эрозионно-русловых системах
Реализация интегральных гидролого-геохимических подходов требует применения различных как эмпирических, так и расчетных данных. Это определяет разнообразие применяемых методов. Полученные в работе выводы базируются на исследованиях, выполненных в пределах речных бассейнов разного размера, которые охватывают значительную часть Евразии. Разные части интегральной схемы были реализованы для более чем 50 ЭРС разного масштаба, условно разделенных
на малые водосборы (с площадью бассейна менее 50 000 км ) и большие (площадь бассейна более
2 „ 50 000 км ). К последним относятся р. Дон, Енисей, Западная Двина, Колыма, Камчатка, Лена, Обь,
Селенга, Терек. Для ряда ЭРС интегральные методы применены в наиболее полной мере, на
некоторых реках были выполнены лишь отдельные виды работ (рис. 2.1). На разных объектах получен
разный набор данных, подразделяемый на 4 большие группы: мониторинговые данные с постов
государственной сети (УГМС); экспедиционные оценки стока и состава наносов; результаты,
связанные с использованием космических данных; численные методы. Все они охарактеризованы в
настоящем разделе с точки зрения их перспектив использования, оценки точности и достоверности
применения. Анализ неопределенностей данных сетевого мониторинга наносов послужил основой для
обоснования применимости косвенных (экспедиционных и дистанционных) методов измерения и
разработки соответствующих протоколов измерения.
-*-7-I-1-1-
Рисунок 2.1. Общая карта изученных объектов и реализованных методов Объекты: 1 - крупные ЭРС; 2 - малые ЭРС
Методы: 3 - высокочастотные ряды мутности и грансостава взвеси; 4 - измерения влекомых наносов; 5 -зависимости ББС = А,Т); 6 - данные мутности по ADCP; 7 - данные мутности по лазерному анализатору ЬК8Т; 8 - модель мутности воды по данным ДЗЗ; 9 - данные о микроэлементном составе воды и наносов; 10 -содержание органического вещества во взвеси; 11 - колонки донных отложений микроэлементного состава и
С8137
2.1. Характеристика мониторинговых (сетевых) данных о стоке наносов
Программы государственного мониторинга включают в себя ряд наблюдений, касающихся стока и состава наносов. Наиболее полные базы данных стока взвешенных наносов для рек мира покрывают около 85 % приемных бассейнов Мирового океана [Meybeck, Ragu, 1996; Milliman, 2010] и охватывают 1500 крупнейших рек, в том числе около 600 самых больших рек мира по водному стоку
3 2
(Q > 10 км/год), площади водосбора (> 10 000 км), стоку взвешенных наносов (> 5 млн т/год) и численности населения в бассейне (> 5 млн человек). В России мониторинг выполняется областными центрами по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС) и управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС) и в настоящее время включает в себя измерения мутности воды, а также на ограниченном числе постов - состава руслообразующих и взвешенных наносов. По данным Н.Н. Бобровицкой [Бобровицкая, 2008; Bobrovitskaya, Kokorev, Lemeshko, 2003], на 1344 постов Российской Федерации велись наблюдения за стоком взвешенных наносов с продолжительностью периода наблюдений более 15 лет. В настоящее время информация о мутности воды и расходах наносов доступна примерно по 400 постам рек Российской Федерации в системе АИС ГМВО; при этом всего измерения мутности выполняются примерно на 700 постах. Этих данных исключительно недостаточно для изучения пространственных закономерностей перемещения наносов в речных бассейнах. Для сравнения: общее число постов в Польше, где проводятся измерения мутности воды, - 3195 при площади страны около 312 000 км . Плотность постов, таким образом, -0.01 пост на км ; в России же с учетом приведенных выше данных плотность постов примерно на 4 порядка меньше - около 0.00004 постов на км .
Мониторинг стока влекомых наносов распространен значительно меньше, чем наблюдения за взвешенными наносами. В России измерения влекомых наносов на гидрологических постах не проводятся. В 2000 г. в США измерения транспорта влекомого материала проводились в 50 раз реже (на 238 гидрологических постах), чем измерения взвешенных наносов (на 12 185 гидрологических постах [Gray et al., 2010]) (рис. 2.2).
absi 6) j
Рисунок 2.2. Наличие данных о взвешенных (а) и влекомых (б) наносах на гидрологических постах в США (2000 г.) [по данным https://www.usgs.gov/water/, дата обращения 15.09.2019]
Применимость мониторинговых данных ограничена из-за ряда методических сложностей. Определение мутности воды и расходов взвешенных наносов связано со следующими погрешностями:
1) инструментально-методические ошибки;
2) ошибки измерений расходов воды, особенно при прохождении вод по пойме, протокам при разливе речных вод во время половодья и паводков;
3) ошибки из-за недостаточного количества измерений мутности воды и расходов наносов на посту, особенно в период половодья и дождевых паводков;
4) изменения методик отбора проб, расчета расходов наносов или применения для одного поста разных методик, имеющих разные пределы точности;
5) изменения точки (вертикали) отбора проб воды на единичную мутность.
Инструментально-методические ошибки связаны с методикой определения взвешенных веществ в
программах мониторинга. В международной практике используются 2 аббревиатуры: SSC (suspended sediment concentration) и TSS (total suspended solid) [Murphy, 2020]. В России измеряют содержание взвешенных веществ на основе стандарта ГХИ РД 52.24.468-2005 и мутность воды SSC - на основе стандарта ГГИ РД 52.08.104-2002. В США величину SSC определяют на основе метода D 3977-97 (American Society for Testing and Materials, 2000), величину TSS - на основе стандарта ASTM Standard Test Method 2540 D [American Public Health Association (APHA), 1999]. Для определения TSS согласно действующему протоколу [American Public Health Association (APHA), 1999] отбирается только 100 мл воды из пробы, что приводит к измерению только тонкой фракции; крупные частицы оседают на дно. В результате обе определяемые величины могут существенно отличаться друг от друга [Gray et al., 2000], особенно в реках со значительной долей песчаных наносов. Стандарт ГГИ РД 52.08.104-2002 предполагает фильтрацию целиковой пробы (мутности более 100 мг/л) или насыщенной наносами части пробы после отстаивания.
Результаты измерения взвешенных наносов отличаются из-за применения разных фильтров. По стандарту ГХИ РД 52.24.468-2005 используются мембранные фильтры (допускается использование бумажных), по стандарту ГГИ РД 52.08.104-2002 - бумажные. В странах ЕС почти полностью исключены бумажные фильтры, в то время как в РФ они являются основным вариантом фильтрации проб (табл. 2.1). Согласно РД 52.08.104-2002, для измерения мутности воды на постах УГМС применяются среднефильтрующие беззольные фильтры диаметром 11 см с белой или желтой (№ 89) лентой, что соответствует размеру пор 8-12 мкм. При таком диаметре пор часть взвеси может теряться, поскольку она проходит транзитом через фильтры и тем самым не учитывается (диаметр частиц меньше диаметра пор «белой ленты» = 10 мкм). Обобщение данных о гранулометрическом составе взвешенных наносов, отобранных в 2017-2018 гг. на реках бассейна Западной Двины, показало, что до 50% состава взвеси составляют частицы PM10 (рис. 2.3), которые не улавливаются фильтрами, используемыми на гидрометрической сети. В результате, по действующим руководствам
на постах УГМС, в определяемую (измеряемую) часть мутности не попадают коллоидные, глинистые PM1 и частично - илистые частицы PM10. В результате получается обратная ситуация: если по американскому стандарту ASTM Standard Test Method 2540 D измерения TSS определяются концентрацией тонких фракций, то, наоборот, применение бумажных фильтров стандарта РД 52.08.104-2002 предполагает определение концентрации крупных фракций. Таким образом, сопоставимыми являются измерения величины SSC и содержания взвешенных веществ по стандарту ГХИ РД 52.24.468-2005 при использовании мембранных фильтров.
Таблица 2.1. Методики измерения мутности воды, принятые в государственных программах мониторинга
в РФ и некоторых странах ЕС
Тип измерений РФ ЕС (Германия) ЕС (Австрия)
Гравиметрический метод Бумажный фильтр Белая лента (10 мкм) или желтая лента Синяя лента (2-3 мкм размер пор) Количественный (<2 мкм размер пор) или качественный (2-10 мкм размер пор) Не рекомендуется
Мембранный фильтр Отсутствует в руководствах 0,45 мкм размер пор Исключительно использование мембранных фильтров(размер пор 0,45 мкм)
Стекло-волоконный фильтр Отсутствует в руководствах 0,5-1,5 мкм фибр, 0,3-1 мкм размер пор для низких концентраций (<20 мг/л) и агрессивных средств (кислоты) Не рекомендуется
Оптическая мутность (НТУ) Отсутствует в руководствах Возможно применение в качестве дополнительных измерений Возможно использование в качестве основного параметра мутности на посту при наличии региональной калибровочной зависимости
Регламентирующий документ РД 52.08.10 4-2002 «Методические указания. Мутность воды...» РД 52.24.4682005 «Взвешенные вещества и общее содержание примесей в водах.» DIN 38409 German Standard methods for the examination of water, waste water and Sludge; general measures of effects and substances (group H); determination of the non-filterable substances and the residue on ignition (H 2) Руководство по наблюдению за транспортом взвешенных веществ [Натали et а1., 2014]
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
%, по фракциям
Рисунок 2.3. Распределение гранулометрического состава взвешенных наносов р. Западная Двина
Красным цветом показана часть взвеси, которая может теряться при фильтрации (диаметр частиц меньше диаметра пор «белой ленты» = 10 мкм).
Для оценки влияния типа фильтров на результат измерений мутности воды были поставлены лабораторные эксперименты с пробами взвешенных наносов, отобранных в июле 2018 г. в бассейне оз. Большой Вудьявр на р. Юкспоррйок, в ручье Гакмана и техногенных ручьях участков добычи нефелиновой руды (Хибинский горный массив). По двум методикам, на основе протокола РД 52.08.104-2002 через фильтр «белая лента» (размер пор около 10 мкм) и через мембранный фильтр 0.45 мкм проводилась фильтрация проб. Погрешность фильтрации оценивалась как ££См - SSCбл, где Жм - мутность воды при определении пробы с помощью мембранного фильтра с диаметром пор 0,45 мкм (мг/л); SSCбя - мутность воды при определении пробы с помощью бумажного фильтра «белая лента» (мг/л). Результаты сопоставлялись с анализом гранулометрического состава проб взвешенных наносов (рис. 2.4). Было выявлено, что при увеличении мутности воды, соответствующем снижению среднего диаметра взвешенных наносов, погрешности определения мутности с помощью фильтра «белая лента» увеличиваются. При среднем диаметре ниже 60 мкм (в среднем мутность воды выше 40-70 мг/л) большая доля частиц, транзитом проходящих через бумажные фильтры с диаметром пор 10-12 мкм, приводит к погрешности определения мутности воды по протоколу РД 52.08.104-2002 и РД 52.24.468-2005 в несколько сотен процентов. При сходных экспериментах с пробами взвешенных наносов рек Сейнав-Гальмоэнанского горного узла (Корякия, бассейн р. Вывенки) в области низких значений (££С < 20 мг/л) коэффициент вариации зависимости 88С и оптической мутности Т достигает
су = 0.35. При 88С > 20 мг/л ряды 88С = /(Т) характеризуются су = 0.99. Важную роль играют потери мелких фракций при малых значениях мутности, определяющие погрешность анализа. При большой мутности поры фильтров быстро заполняются взвесью, что снижает потери мелкой взвеси. В итоге для бумажных и мембранных фильтров формируются отличные зависимости от оптической мутности воды Т:
Жбл = 0.48Т + 7.03 = 0.99), (2.1)
Жм = 0.42Т + 9.01 ^ = 0.99). (2.2)
Рисунок 2.4. Связь отклонений мутности воды при определении с помощью мембранного и бумажного фильтра «белая лента» (мг/л) ££См - 55Сбл от среднего диаметра взвешенных наносов (мм)
При анализе сетевых данных рек Обь, Енисей, Лена и Колыма [Магрицкий и др., 2019; Vihma et а1., 2019] погрешности измерения стока воды оценивались величиной от 5 % (период открытого русла и ледостава в отдельные годы на постах Салехард, Игарка и Кюсюр) до 50 % (в период максимального стока на г. п. Кюсюр). Расход воды, измеренный экспедиционным отрядом МГУ 6 июня 2019 г. в
3 „
створе г. п. Игарка при уровне воды 1390 см, составил 89 130 м /с, в то время как соответствующий
о
кривой Q = /(Н) г. п. Игарка расход воды составил 102 000 м /с. Неопределенности расчета расходов взвешенных наносов соединяют оба вида погрешностей и дополняются факторами непосредственно расчета этой величины и, таким образом, превышают 20 % даже в случае применения удовлетворительной методики расчета стока взвешенных наносов.
Методические сложности определения характеристик стока взвешенных наносов на постах УГМС определяют вывод о том, что существующие протоколы мониторинга мутности воды содержат источник систематической погрешности. Эти данные рекомендуется использовать для относительных определений характеристик стока наносов. Сокращение пунктов наблюдений за мутностью воды, трудоемкость методов приводят к необходимости поиска альтернативных средств измерений. В связи
с этим основную информационную составляющую исследований стока наносов представляют собой полевые измерения.
2.2. Методы полевых измерений 2.2.1. Методы измерения мутности воды
В практике полевых измерений мутности воды используют 2 группы методов: прямые (гравиметрические, основанные на фильтрации проб воды) и косвенные, основанные на отражении электромагнитных волн взвешенными частицами. Эта особенность используется во всех разновидностях способа: оптический (фотометрический), акустический, дистанционный, лазерный метод и др. (табл. 2.2). Выполненные Д. Греем [Gray et al., 2000; Gray, Gartner, 2009] обзоры методов характеризуют их отличия по стоимости, надежности, точности, скорости измерений, объему отбираемых проб, подверженности биологическому загрязнению датчиков, диапазону измеряемых значений мутности и крупности взвеси. Все косвенные методы требуют пересчета в единицы SSC (мг/л), т. е. параметризации зависимостей SSC = f(T, BI, Sv). Это определяет, по крайней мере на начальном этапе исследования, использование и прямых, и косвенных методов.
Таблица 2.2. Основные косвенные методы определения мутности воды
Метод Типы приборов Регистрируе- Длина Дискретност Диапазон Основные
мый волн ь данных измерении преимущества
параметр (в пересчете на мг/л) метода
Нефелометрический Портативные и автоматические натурные датчики; большое число производителей Оптическая мутность Т (НТУ) 800-860 нм До 10 сек < 3000 мг/л Высокая временная дискретность
Акустический Доплеровские Интенсив- 2.5 мм при В < 500 мг/л Получение
(доплеровский) измерители ность частоте 600 зависимости массива данных
скорости потока обратного кГц от размера в пределах
АДПТ рассеивания 54(Д), дБм 1.25 мм при частоте 1200 кГц реки поперечного сечения русла
Лазерный (лазерной Международный Объемная До 10 сек < 3300 мг/л Высокая
дифракции) LISST стандарт ВО- мутность SV, для частиц временная
13320:2009 мл/л РМ10 < 33 000 мг/л для частиц РМ100 дискретность и значения крупности частиц
Дистанционный Любые космические Коэффициент 630-690 Частота <500 мг/л Пространствен-
и низколетательные спектральной съемки ный охват,
аппараты, смартфоны, яркости рХ ретроспективные данные
оснащенные
камерой съемки в
видимом спектре
Прямые методы измерения мутности воды и отбора проб основаны на использовании мембранных фильтров (0.45 мкм). Это позволяет получить значения мутности воды, соответствующие содержанию в воде частиц PM > 0.45. Оптический (фотометрический, нефелометрический) метод [Gray, Gartner, 2009; Lewis, 1996; Walling, 1977] определения оптической мутности (T, turbidity) заключается в измерении оптической плотности образца и способности взвешенных частиц рассеивать свет [Белозерова, Чалов С.Р., 2013] и регламентируется ГОСТ 3351-74. Рассеяние и поглощение света происходит на минеральных и органических взвешенных частицах, пузырьках воздуха и других неравномерностях в образце воды [Gippel, 1995]. На результат сильно влияют тип излучения (из уравнения Релея следует, что чем короче длина волны, тем сильнее будет ее рассеяние на мелких частицах), шкала единиц мутности (формазиновая или каолиновая). Последняя применяется как расчетное значение от формазиновой шкалы по установленному в ГОСТ 3351-74, но никак не обоснованному коэффициенту 0.58. Важную роль играет конструкция мутномера - использование принципа учета ослабления проходящего света или светорассеяния в отраженном свете). В литературе наиболее часто встречается понятие «турбидиметр» (turbidimeter, от англ. turbidity - мутность) и соответствующее название метода анализа «турбидиметрия», в России принято использовать для этих типов измерения термин «оптическая мутность» [Белозерова, Чалов С.Р., 2013].
Учитывая, что отражение света от частиц, взвешенных в воде, зависит от размера и формы этих частиц, их минералогического и петрографического состава, наличия планктона, органики и др., связи между величиной мутности SSC и оптической мутностью T (НТУ) имеют региональный характер. При их анализе используется линейная аппроксимация [Алексеевский и др., 2013; Ankcorn, 2003; Chanson, Takeuchi, Trevethan, 2008; Gippel, 1995; Gray, Gartner, 2009; Pavanelli, Bigi, 2005] между переменными:
SSC = a + ßr, (2.3)
где a и ß - эмпирические параметры. Рядом авторов используется также степенная [Davies-Colley, Smith, 2001; Lewis, 1996; Zimmermann, Lapointe, 2005] и логарифмическая [TMDL team, 2006; Lewis, 2001] зависимость. Нами с 2005 г. проводилось обобщение региональных зависимостей между SSC и T, объем проанализированной выборки составил несколько тысяч синхронных измерений весовой и оптической мутности. Основные результаты этих исследований обобщены в таблице 2.3 и подробно рассмотрены в работах [Белозерова, Чалов С.Р., 2013; Промахова, 2016] и отдельно - для бассейна Селенги [Алексеевский и др., 2013], Москвы [Sokolov et al., 2020]. Вид зависимостей (2.3) характеризуется географическими особенностями, обусловленными спецификой формирования стока наносов в речных бассейнах. Влияние диаметра взвешенных наносов [Gippel, 1995] и содержания разных фракций в составе взвешенных наносов [Lewis, 1996] на условия отражения света и величины T является причиной регионального характера связей. Наиболее достоверными в этом отношении являются зависимости, полученные для одних створов. Так, точки для крупнейших сибирских рек России группируются по признакам состава (доли мелких частиц PM10) взвешенных наносов (рис.
2.5) на графике 88С = /(Т): точки р. Енисей и р. Обь, которым характерна высокая доля органики во взвеси, расположены в левой части графика; в большей степени представленные минеральными частицами взвеси р. Лены и р. Колымы приводят к группировке точек в правой части графика. В общем случае, при четком подборе рек-аналогов, в первую очередь, по генезису взвеси и ее крупности, сходным геолого-геоморфологическим особенностям и режиму хозяйственной деятельности, возможно использование типовых региональных зависимостей.
Таблица 2.3. Параметры зависимостей ББС = /(Т) для некоторых групп рек России и гидрологические
отличия
Тип рек ß а cor Диапазон мутностей d5o, мм n
SSC, мг/л3 T, НТУ
Средние и малые реки горных областей восточного побережья Камчатки и западного склона Кавказа с сильной хозяйственной деятельностью на водосборе 0.75 -1.04 0.97 1.262689 0.553282 0,02 40
Малые реки Хибинского горного массива 1.01 -34.5 0.96 0.37-600 0.37-552 0.12 24
Большие равнинные реки лесной зоны ЕТР 0.84 7.59 0.93 2.25-107 1.00-112 0.09 53
Большие сибирские реки, нижнее течение Обь (г. Салехард) 3.48 -18.3 0.84 5.8-211 4.6-64 0.1 29
Лена (г. Якутск) 0.95 4.86 0.87 5.4-92.1 8.7-78.5 0.06 100
Колыма (пос. Черский) 0.67 8.07 0.76 5.8-67 4.6-110 - 53
Средние и малые равнинные реки лесной и лесостепной зоны ЕТР 0.93 3.76 0.99 4.3698.4 2.18-102 - 25
Средние равнинные реки лесной зоны ЕТР в условиях ледостава 2.54 -1.81 0.92 0.58-116 0.4638.5 - 10
Реки степной и лесостепной зоны юга Сибири Реки монгольской части бассейна Селенги 0.97 11.1 0.95 0.5-2847 0.5-2667 0.08 78
Реки российской части бассейна Селенги 1.32 0.68 0.84 0.3-70.5 0.5-45.9 0.12 30
Дельта Селенги 1.21 -2.28 0.78 0.04 35
Притоки Байкала 0.9 1.94 0.85 1-15 0.1-9.9 0.02 40
Малые равнинные реки Нижнего Поволжья (зона полупустынь) 2.06 18.96 0.89 5.4295.5 4.7238.0 0.02 11
Реки урбанизированных территорий (бассейн р. Москвы) Весь бассейн Москвы 1.53 -0.69 0.74 1.3-91.6 1-46.8 0.01 100
Выше Можайского водохранилища 1.1 1.6 0.9 1-31 1-23 - 56
Ниже Можайского водохранилища 0.8 1.4 0.73 1.3-91.6 1-90 56
Примечания: в - угловой коэффициент, а -диаметр взвешенных наносов, Q - расход воды,
- свободный коэффициент, cor - коэффициент корреляции, d50 - средний 1ср - средний уклон водной поверхности, n - число точек.
Рисунок 2.5. График связи SSC = fT) для р. Обь (Салехард, 1), Енисей (Игарка, 2), Лена (Кюсюр, 3; Якутск,
4) и Колыма (Черский, 5)
Использование акустических доплеровских профилографов течения (АДПТ) основано на излучении акустического импульса в воду и последующей фиксации отраженного взвешенными частицами сигнала. Преимуществом акустических методов является то, что большая длина волн, по сравнению с волнами видимого спектра, позволяет исключить их рассеяние, связанное с наличием в воде большого числа минеральной взвеси и органических соединений. Для оценки характеристик взвеси, от которой отражается акустический сигнал АДПТ, требуется решение основного гидроакустического уравнения, в общем виде представленного формулой [Gartner, 2004; Haught, Venditti, Wright, 2017]:
R L = EL- 2 Sc + Sv, (2.4)
где EL - интенсивность исходящего сигнала; 2 Sc - потери на затухание сигнала на пути до цели (частицы) и обратно (отсюда коэффициент 2); Sv - интенсивность сигнала, отраженного от цели; R L -интенсивность принятого АДПТ сигнала, дБ. Параметры исходящего сигнала, такие как частота, уровень и т. д., известны от производителя прибора. Интенсивность принятого сигнала зависит от геометрических размеров частиц взвеси и ее концентрации:
Sv = 1 0 Iод!0KsSSС, Ks = -^f-, (2.5)
где f - параметр формы частицы, а - средний радиус наносов, м, р5 - средняя плотность наносов,
кг/м3.
Поглощение сигнала средой и его рассеивание зависят от коэффициентов абсорбции, которые, в свою очередь, также зависят от характеристик взвеси и вмещающей жидкости:
5С = 2 (+ 2 а5)Я + 1 О 100!0(ПЙ2^2). (2.6)
где «и, - вязкий коэффициент абсорбции сигнала жидкостью, дБ/м, - коэффициент рассеяния сигнала взвесью, дб/м, - расстояние, м, - температура воды, - коэффициент рассеяния акустического луча прибора. Коэффициенты абсорбции и в свою очередь зависят от характеристик взвеси - объемной плотности и среднего диаметра частиц.
На уровень принимаемого прибором отраженного от взвеси сигнала влияет шум от электронных компонентов самого прибора, который может быть измерен и сообщен производителем, а также случайные шумы окружающей среды:
ЯЯЬ = 1 О Iо^ 0 ( 1 О кс(Е-Ег)/1° - 1 ) , (2.7)
где Е - уровень отраженного взвесью сигнала, счет; Ег - шумы от прибора и окружающей среды; к -переходной коэффициент от счетов к дБ; с - скорость звука в воде, м/с.
Путем подстановки уравнений (2.5) - (2.7) в исходное уравнение (2.4) и последовательной группировки переменных (2.8) последнее можно преобразовать в вид степенной зависимости (2.10).
1 О Iо д!о( ^55С) = 1 О Iо дх о ( 1 О кс<Е-Ег>А° - 1 ) + 2 ( ^ + х + ) + 1 О Iо 0! о р^) + С, (2.8)
I 00! о (Я ) М5 (Я ) ] = О . 15, (Я ) + (2.9)
55С = 1 О (0 . (К)+М (2.10)
где 5(; (Я ) - интенсивность полученного сигнала АДПТ, дБ; - параметры, зависящие от модели АДПТ; Ь - длина импульса, - интенсивность исходящего сигнала; С - линейный размер излучателя (табл. 2.4).
Коэффициент равен 0.1 только в теоретическом случае равномерного распределения диаметров частиц взвеси. При мутности больше 500 мг/л (р. Бермехо, приток Параны) [Szupiany et а1., 2006] построение надежных зависимостей (2.5) невозможно. Отличия получаемых зависимостей связаны как с особенностями состава наносов, так и со спецификацией разных приборов [БакИо е а1., 2019]. По данным измерений расходов воды АДПТ и мутности воды на створах р. Обь, р. Енисей и р. Колыма получена зависимость (Я = 0.77) с коэффициентами Кс = 0.0014 и = 0.914 (рис. 2.6).
Обь л ето 2019 П ротока Ига рская, л ето 2019 «Енисей, л ето 2019 Обь, осень 2018 Ж Кол ыма 2019
Рисунок 2.6. Осредненная зависимость между мутностью ББС и обратным рассеянием В1 для рек Обь,
Енисей и Колыма
Таблица 2.4. Обзор коэффициентов формулы связи обратного рассеяния и мутности
Модель Частота Ссылка
Река Kc К f АДПТ АДПТ
Обь/Енисей 0.014 0.914 RiverRay 600 автор
Workhorse 600 [Park, Lee, 2016]
Хан 0.15472 57.666 Sentinel
Workhorse 1200
Накдонг 0.04102 26.29 Sentinel
Workhorse 1200
Егонгсан 0.09816 21.904 Sentinel
RioGrande 600 [Sakho et al.,
Рона 0.054 4.6 2019]
Чжунсянь/Фэнцзе 0.1*^50 + 1.7 0.04* d50 + 0.7 NorTek ADV 600 [Li et al., 2019]
Использование данных АДПТ наиболее эффективно для определения расходов взвешенных и влекомых наносов как важнейшей составляющей интегрального подхода к изучению ЭРС. На первом этапе для каждой ячейки поперечного профиля по полученной для створа зависимости (2.5) проводится пересчет величины St(R) в мутность SSC. Далее осуществляется восстановление пропущенных значений измерений, которые присутствуют в придонном слое поперечного профиля русла (около 15 % от площади поперечного сечения), на основе логарифмической модели распределения мутности по вертикали Рауза [Rouse, 1937]. Последняя рассчитывается по фактическим данным о распределении SSC для каждой вертикали и соответствующих им «измеренным» числам Рауза. Расчет удельного расхода взвешенных наносов в каждой ячейке проводится на основе перемножения скорости течения и мутности воды в отдельных ячейках. Для получения суммарного значения расхода наносов необходимо просуммировать все удельные расходы наносов в ячейках. Для избавления от искажающего эффекта разного размера ячеек стала проводиться дополнительная
интерполяция рассчитанных значений расходов наносов по методу обратно-взвешенных расстояний (ТО^ (рис. 2.7).
Мутность, мг/л, до восстановления
I
Рисунок 2.7. Примеры восстановления профиля мутности воды по калибровочным кривым между BI и мутностью воды SSC (р. Обь, створ г. Салехард, 2019 г.)
Принципиально отличная схема определения мутности воды заложена в так называемом лазерном методе (методе лазерной дифракции). Он основан на преломлении волны света на частицах, транспортируемых потоком. Диаметр линзы равен 2.5 см, используется свет красной области с длиной волны 670 нм [Agrawal, Pottsmith, 2000; Hubbart, Kellner, Freeman, 2014; Xia et al., 2004]. Технология лазерной дифракции позволяет получить объемные концентрации SV разных диапазонов крупности в интервале PM2.5-1500. Перевод в весовые значения мутности SSC производится на основе известных значений плотности частиц по формулам (1.11). Разница между значениями мутности воды, измеренными гравиметрическим способом SSC и рассчитанными на основе лазерного метода SV, может достигать 60 % [Hubbart, Kellner, Freeman, 2014], что связано с изменением плотности частиц. Другим способом получения значений SSC на основе измерений SV является построение региональных зависимостей. Так, в 2014 г. на р. Сухая Елизовская (Камчатка) получена связь (cor = 0.89):
SSC = 9.09Sv - 237. (2.11)
Таким образом, при проведении полевых работ с применением разных методов измерения мутности воды могут быть получены объект-ориентированные связи между весовой мутностью и ее косвенными характеристиками SSC = f(T, St(R), Sv). Сформулированы основные рекомендации по проведению полевых измерений мутности воды и дальнейшей обработке полученных данных:
1. Параметризация зависимостей SSC = f(T, St(R) , Sv) осуществляется на основе синхронной обработки проб (определение весовой мутности SSC (мг/л) с применением вакуумных фильтровальных установок и мембранных фильтров и измерение косвенных
характеристик мутности (T, St ( R ) , Sv)). Зависимости дифференцируются для водного объекта (речного бассейна, поста) и разных фаз водного режима.
2. Для параметризации зависимостей SSC = f(T, , Sv) рекомендуется отбор точечных проб с разных горизонтов в широком диапазоне значений мутности - в разные фазы водного режима при измерении на одном створе и для разных участков в пределах речного бассейна в течение одной фазы водного режима. Для определения весовой мутности используются мембранные фильтры с диаметром 0.45 мкм.
3. Косвенными методами рекомендуется производить анализ непосредственно у точки отбора с использованием портативных турбидиметров. Из-за риска образования конденсата и выделения пузырьков пробы для лабораторного анализа рекомендуется предварительно подогревать на водяной бане, а само измерение выполнять с использованием максимально новых и чистых кювет, поскольку малейшие царапины и неровности вызывают рассеяние света, зачастую более интенсивное, чем сами частицы мутности в образце.
4. Рекомендуется регулярная (раз в несколько лет) калибровка полученных зависимостей на основе повторного синхронного измерения весовой мутности и косвенных характеристик T,
, Sv в связи с возможными изменениями состава наносов, влияющими на вид зависимостей.
2.2.2. Методы измерения влекомых наносов
Современные технологии измерения влекомых наносов подразделяются на стандартные косвенные контактные и косвенные бесконтакные (табл. 2.5). Наиболее распространенными модификациями стандартных ловушек являются конструкции типа «ведро» (basket), «ящик» (box), «лоток» (pan) [Hubbell, 1964]. Наибольшую известность получил пробоотборник Helley-Smith. В нашей работе использовалась авторская конструкция ящика-влекометра со стандартной ловушкой из мельничного газа 31 мкм и размером короба 101 • 204 • 303 мм, объем которой позволяет проводить измерения на больших реках (рис. 2.8 А, Б). Применялись также плоскодонные круглые ловушки (диаметр 0.25 м, глубина 0.07 м), которые закапываются в дно по уровень входного отверстия (рис. 2.8 В). Специальные эксперименты, выполненные при подаче на верхнюю границу ловушек известного количества наносов разного диаметра и минералогического состава на реках Камчатки [Чалов С.Р., Есин, Айзель, 2014], позволили эмпирически оценить коэффициент уловистости ловушек в зависимости от разности сил, сдвигающих частицу (Рнап), и сил, сопротивляющихся ее перемещению (^тяж) (Г = 0.75):
КУл = 225.9(^нап - ^тяж) + 0.21. (2.12)
Здесь силы ^нап складываются из силы скоростного напора и составляющей веса частицы. ^тяж определяется силой веса частицы с учетом тангенциальной составляющей силы тяжести. Улавливание грунта за время установки ловушки At дает значение удельного расхода влекомых наносов gi (кг/с м)
Расчет суммарного расхода влекомых наносов G производился суммированием частных расходов для однородных сегментов поперечного профиля (т .е. где hi = const, vi = const): G = X gi b, где b - ширина русла.
А Б
Рисунок 2.8. Ловушки влекомых наносов, используемые в работе: влекометр-ловушка - схема А и установка на руч. Сентябрь (Корякия, 2011 г.) - Б; круглые плоскодонные ловушки - Б
Таблица 2.5. Обзор методов измерения транспорта влекомых наносов
Метод Параметр Ссылки
Стандартные Ловушки типа ящик и ведро Масса улавливаемых наносов [Beylich, Kneisel, 2009; Chalov S. et al., 2014; Froehlich, 2010; Helley, Smith, 1971; Turowski, Rickenmann, Dadson, 2010]
Ловушки типа лоток Масса осаждаемого материала [Дерягин, 2017]
Плоскодонные ловушки [Чалов С.Р., Есин, Айзель, 2014]
Косвенные бесконтактные АДПТ Скорость придонного слоя [Gaeuman, Jacobson, 2006; Rennie, Millar, Church, 2002; Williams et al., 2015].
Повторное эхолотирование Скорость движения и объемы гряд [Алексеевский, 1998; Leary, Buscombe, 2020; Legleiter, Roberts, Lawrence, 2009]
Многолучевые эхолоты MBS Параметры геометрии гряд [Leary, Buscombe, 2020]
Трассеры Скорость движения частиц [Gray, Laronne, Marr, 2010; Milan, Large, 2014]
Косвенные контактные Геофоны Интенсивность акустического сигнала [Belleudy, Valette, Graff, 2010; Froehlich, 2010; Moen et al., 2007]
Гидрофоны " [Rascher et al., 2018; Rickenmann, 2018]
Косвенные бесконтактные технологии основаны на учете с помощью различных устройств параметров перемещения материала в придонном слое. Доплеровские измерители течений (АДПТ) используются для измерения влекомых наносов c помощью оценки функции привязки к дну (bottom tracking, BT). Если скорость движения АДПТ измеряется относительно дна потока, то существует постоянная ошибка, которая в случае подвижного дна характеризуется отклонением от скорости по gps Vgps: Vgps - Vbt = AV. Стационарная установка прибора приводит к Vbt = AV, поскольку Vgps = 0. Связь между величиной Vbt и расходом влекомых наносов основана на кинематическом уравнении [Rennie, Millar, Church, 2002] или эмпирических соотношениях [Williams et al., 2015]. Используют формулу
<7g = иЛ tOb (2.13)
где qь - расход влекомых наносов, кг/м3с; иb - скорость в придонном слое, м/с; <5ь - толщина придонного слоя, м; - концентрация влекомых наносов, кг/м3, которая в свою очередь определяется по формуле Сь = гр5, где г - объемная концентрация, %; р5 - объемная плотность наносов, кг/м . Неизвестные параметры уравнения (2.13) могут быть приняты в зависимости от медианного диаметра наносов <5ь = 2 D 5 0 [Bagnold, 1973], либо аппроксимированы:
<5ь = 0 . 3 D 0 ' 7Г° 5d 5 о, (2.14)
сь = 0 ' 1 8ps7/D*0 ' 6 5, (2.15)
где и - параметры, зависящие от гранулометрического состава наносов и скорости касательного напряжения у дна, и вычисляются по соответствующим формулам [Kostaschuk et al., 2005; Rijn van, 1984a; Villard, Church, Kostaschuk, 2005].
Повторные батиметрические и радарные съемки традиционно используются для оценки перемещения влекомых наносов, а многолучевые эхолоты (MBS, multibeam sonars) дают информацию о геометрии гряд [Leary, Buscombe, 2020]. Большие перспективы в изучении влекомых наносов связаны с применением «Обучаемых трасеров» (smart tracers). Известность получили «Радиочастотные Идентификаторы (RFID)», представляющие собой микротрансмиттеры цилиндрической формы (диаметр - 2 мм, длина - 25 мм), которые могут быть вмонтированы в частицы крупного размера, перемещающиеся в потоке [Gray, Laronne, Marr, 2010]. Положение такой частицы фиксируется каждый раз, когда она оказывается в зоне действия антенны, принимающей сигнал трансмиттера. Экспериментальные исследования на р. Ред (Великобритания) с применением магнитных трассеров [Milan, Large, 2014], единовременно поставляемых в реку, были направлены на выявление режима плесов и перекатов в зависимости от морфологических характеристик участков русел и особенностей прохождения расходов воды. Эти данные исключительно полезны для исследования ЭРС в локальных масштабах.
Косвенные контактные методы оценки расхода влекомых наносов основаны на инсталляции в дно различных датчиков, работающих на пьезометрических, акустических и других принципах. Акустический сенсор устанавливается на дно потока, при попадании наносов на поверхность подставки информация об этом фиксируется сенсором. «Встроенные трубы» (impact pipes) фиксируют акустический сигнал, вызванный перемещением материала по трубе, и преобразуют его в количественную оценку транспорта влекомого материала. Интенсивность звукового сигнала соответствует объему влекомого материала, а его частота зависит от гранулометрического состава наносов [Froehlich, 2010]. Большие перспективы связаны с использованием «гидрофонов» - приборов, работающих аналогично различным типам геофонов, но, в отличие от них, гидрофон фиксирует акустическую энергию движущихся частиц при их соприкосновении друг с другом. Гидрофоны также чувствительны к другим звуковым сигналам, связанным с турбулентностью потока [Belleudy, Valette, Graff, 2010]. Такие приборы устанавливаются в потоке воды либо на штативе, либо в специальных контейнерах или капсулах. Калибровка и верификация этих систем измерения [Rascher et al., 2018; Rickenmann, 2018] свидетельствуют о высокой точности методов, что позволяет получить принципиально новые высокочастотные данные о расходах влекомых наносов и внедрять их в широкую практику измерений. В нашей работы задействованы открытые базы данных по р. Питсбах, Австрия (n = 55 301 измерение расходов влекомых и взвешенных наносов, выполненные в 19941995 гг. с временным разрешением 15 минут) [Turowski, Rickenmann, Dadson, 2010].
2.2.3. Геохимические методы исследования
Важной составляющей гидролого-геохимического подхода является изучение механического и химического состава речных наносов. В нашей работе отрабатывались методики полевых отборов взвешенных и влекомых наносов и русловых отложений. Отбор проб взвешенных наносов осуществлялся разными способами: пластиковой бутылкой, батометром-бутылкой или помпой SEAFLO на шланге, экспонируемом на разную глубину. Пробы на микроэлементный состав взвеси фильтровались с применением мембранных фильтров, на состав биогенных веществ - через стекловолоконные фильтры. Отбор проб влекомых наносов осуществлялся влекометром - либо типовой конструкцией Helley-Smith, либо авторской конструкцией (рис. 2.8). Указанные методы измерений мутности воды применялись в работе для изучения особенностей распределения наносов по поперечному сечению крупных рек для исследования компонент неоднородности z, y (см. (1.1). Была отработана стандартная программа измерений, направленная на отбор проб воды и взвешенных наносов на трех вертикалях (А, В, С) и трех горизонтах (1 - приповерхностный, 2 - средний, 3 -придонный) (рис. 2.9). Измерение мутности воды во всех точках измерения позволяет калибровать зависимости SSC = f(T, BI, Sv), проводить специальные гидравлические расчеты распределения наносов по глубине русла, что является важнейшим элементом изучения геохимических особенностей
потока наносов. Дополнительно отбираются пробы руслообразующих наносов, донных отложений и влекомых наносов.
Рисунок 2.9. Протокол измерений отбора проб в пределах поперечного сечения крупной реки (I - пробы влекомых наносов и руслообразующих наносов; II - пробы донных отложений из участков накопления вещества; III - измерения мутности воды, пробы воды и наносов)
Для получения репрезентативных объемов взвешенных наносов осуществляется отбор интегральных проб на разных горизонтах с помощью авторского зонда-ловушки для взвешенных наносов (патент № 201927 от 21.01.2021). Прибор (рис. 2.10) представляет собой систему из устанавливаемых в речном потоке на разной глубине (1 - приповерхностный слой; 2 - середина; 3 -придонный слой) ловушек наносов. Перехват взвешенных наносов осуществляется с помощью мелкоячеистой сетки (мельничный газ с диаметром пор 28 мкм). Собранная взвесь в дальнейшем используется для сепарирования проб на разные классы по крупности и дифференцированного химического анализа разных классов. Отобранные навески разделялись на классы крупности (РМ1 и РМ1-10) методами отмучивания [Вадюнина, Корчагина, 1986]. Отработанная глубина инсталляции зонда - до 30 м, что впервые в мировой практике позволило получать объемные образцы взвешенных наносов с разных глубин речного потока крупных рек.
—I II
• III
Ь/ м
Рисунок 2.10. Схема зонда-ловушки для отбора интегральных проб взвешенных наносов по глубине рек
В камеральных условиях исследовались образцы проб взвешенных наносов - нерастворенных РМ0.45 и условно растворенных РМ > 0.45, а также образцы пойменных и русловых отложений и влекомых наносов (табл. 2.7). Гранулометрический состав частиц РМ > 0.45 определялся методом лазерного рассеяния с помощью лазерного гранулометра ЕгксЬ Апа^ейе - 22 на основе проб, полученных методом фильтрования в полевых условиях через мембранный фильтр МПНроге (диаметр пор - 0.45 мкм) с помощью вакуумной фильтровальной установки. Полученный на фильтре осадок высушивался, пробоподготовка выполнялась методом растирания пробы с пирофосфатом натрия для достижения десегрегации [Мельников, 1956]. Результаты анализа представлялись в виде кумулятивной кривой, отображающей процентное распределение частиц взвешенных наносов, графика плотности распределения и таблицы с величинами процентного содержания. В работе использованы результаты более 900 определений механического состава проб взвешенных наносов для 86 рек (табл. 2.6).
Река Бассейн Количество измерений ¿50, мм ±SD РМ5, % РМ5-50, % РМ50-1000, % Тип русла
Велеса Западная Двина 12 0.05 0.09 17 72 11 равнинное
Вуоннемьйок Нива 3 0.02 0 14 70 16 горное
Гакман Нива 3 0.17 0.16 53 22 22 горное
Дельта Селенги Селенга 78 0.07 0.14 34 58 8 равнинное
Дербыш Лангери 4 0.04 0.01 7 49 44 полугорное
Джанкуат Терек 42 0.05 0.1 23 50 27 горное
Джида Селенга 4 0.09 0.13 20 62 18 полугорное
Енисей Енисей 54 0.07 0.09 32 54 14 равнинное
Ероо Селенга 4 0.26 0.28 28 32 40 горное
Загустай Селенга 3 0.19 0.14 4 45 51 горное
Кабеку Камчатка 24 0.11 0.08 28 42 31 горное
Лангери Лангери 19 0.29 0.39 6 47 41 горное
Лена Лена 9 0.06 0.07 42 50 9 равнинное
Обь Обь 48 0.1 0.08 26 55 18 равнинное
Орхон Селенга 20 0.1 0.13 30 51 19 полугорное
Селенга Селенга 50 0.04 0.12 33 60 8 полугорное
Тамир Селенга 3 0.14 0.15 20 50 30 полугорное
Тарфала Каликсэльвен 36 0.04 0.01 11 46 43 горное
Терек Терек 3 0.03 0.02 42 48 10 полугорное
Тугнуй Селенга 10 0.08 0.07 45 43 11 полугорное
тУУл Селенга 27 0.06 0.09 27 57 16 полугорное
Уда Селенга 9 0.16 0.19 22 47 31 полугорное
Хара Селенга 14 0.13 0.22 22 57 22 полугорное
Хилок Селенга 3 0.02 0.01 25 67 8 полугорное
Чикой Селенга 4 0.32 0.33 22 39 39 полугорное
Шарын-гол Селенга 4 0.23 0.39 12 51 36 равнинное
Юкспоррйок Нива 15 0.09 0.19 11 51 37 горное
Москва Волга 16 0.03 0.01 31 49 19 равнинное
Прочие 280
Всего 701 0.0 87 0.15 26 53 20
Содержание органического вещества во взвеси определялось либо на СНЫБ-анализаторе, либо по потере при прокаливании в муфельной печи при 400 °С с предварительной обработкой концентрированной НС1 для удаления карбонатов (табл. 2.7). Содержание широкого круга химических элементов Ве, В, М& А1, Si, Р, S, К, Са, Sc, Ti, V, Сг, Мп, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Ga, Ое, Лб, Бе, Вг, ЯЬ, Бг, У, 2г, ЫЬ, Мо, Яи, ЯЬ, Рё, Л§, Сё и др.) в растворенной форме (Сраств, мкг/л), в твердофазном состоянии в составе влекомых (Свл, мкг/г) и взвешенных (Свзв, мкг/г) наносов определялось масс-спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой и атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой на приборах Е1ап-6100 и 0рйта-4300 БУ (Регкт-Б1шег, США) во Всероссийском институте минерального сырья им. Федоровского (ВИМС).
Объект Параметры Метод анализа
Растворенные формы РМ0.45 рН минерализация Главные ионы Микроэлементы Потенциометрия Жидкостная хроматография 1СР-М8,1СР-АБ8
Нерастворенные формы РМ > 0.45 Гранулометрический состав Органическое вещество Макро- и микроэлементы Лазерная гранулометрия СН^-анализ 1СР-М8,1СР-АБ8
Донные отложения и почвы Гранулометрический состав Макро- и микроэлементы 137С8 Лазерная гранулометрия 1СР-М8,1СР-АБ8 Радиоцезиевый анализ
2.3. Дистанционные методы
В рамках интегрального подхода в работе получили развитие 2 группы дистанционных методов -определения мутности и индикации плановых переформирований рек (ИПП).
2.3.1. Дистанционные методы определения мутности воды и баланса взвешенных наносов
Изучение характеристик поверхностных вод, в том числе мутности воды, с помощью методов дистанционного зондирования проводится относительно давно [Carlson, 1976; Nduaguba D.C., 1976; Кравцова и др., 1974; Лабутина и др., 1976]. Благодаря оптическим свойствам величина SSC демонстрирует устойчивую связь с цветом воды [Albanakis, 1990; Baker, Lavelle, 1984; Bhargava et al., 1991; Curran et al., 1988; Doxaran et al., 2002; Forget et al., 1999; Holyer, 1978; Jensen et al., 1989; Novo et al., 1989; Topliss et al, 1990; Witte et al, 1981]. Отклики на видимую световую часть электромагнитного спектра в зависимости от концентрации наносов на поверхности воды позволяют получить абсолютные значения мутности воды по космическим снимкам, поскольку поверхностное отражение в значительной степени связано с рассеянием взвешенных веществ на поверхности воды [Kirk, 1989; Miller et al., 2004]. Определение абсолютной мутности воды по данным дистанционного зондирования возможно по полевым данным о мутности воды [Sriwongsitanon, Surakit, Thianpopirug, 2011]. Полевые данные сопоставляются со значениями коэффициентов спектральной яркости пикселов р^ полученных в спектре с длиной волны X, для выявления линейной или степенной зависимости:
SSC = fp). (2.16)
Могут использоваться мультиспектральные регрессии, связывающие SSC с коэффициентами спектральной яркости пикселов р^, полученных в разных спектрах, или с производными параметрами этих коэффициентов:
SSC = f (PX 1
), (2.17)
где Xn - длина волн различных спектров.
Данные автоматической коррекции снимков Landsat предоставляются открыто, к тому же эти снимки обладают наибольшим временным охватом, поэтому именно они нашли самое широкое
применение в исследованиях ЭРС. Алгоритм работы с данными включает последовательный подбор снимков, контроль их качества, создание региональной регрессионной модели SSC = Хрх), дифференцированной для фаз водного режима, и конвертирование значений р^ в мутность воды SSC (рис. 2.11). В нашей работе радиометрическая коррекция проводилась автоматизированно в программном продукте QGIS с использованием модуля Semi-Automatic Classification Plugin методом DOS1. Это позволило перевести «сырые» значения яркости снимков в безразмерный коэффициент отражения, исключив влияние солнца на условия съемки (угол наклона солнца и расстояние до него). Атмосферная коррекция для снимков Landsat 5/TM и Landsat 7/ETM+ выполнялась по методу LEDAPS (Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System). Метод использует алгоритм 6S, разработанный для атмосферной коррекции съемочной системы MODIS. Для расчета используются такие параметры, как содержание в атмосфере водяного пара, озона, геопотенциальная высота, оптическая толщина аэрозолей и цифровая модель рельефа [Claverie et al., 2018]. Атмосферная коррекция снимков Landsat 8/OLI осуществляется по алгоритму LaSRC (Landsat Surface Reflectance Code). Алгоритм использует собственный прибрежный канал съемочной системы OLI (band 1 -coastal), снимающий в фиолетовом участке спектра, для расчета влияния аэрозолей, а также климатические данные, получаемые со съемочной системы MODIS. В нашем исследовании -относительная атмосферная коррекция методом темного объекта [Chávez, 1996]. Используется свойство полного поглощения ближнего инфракрасного канала (БИК) водной поверхностью. С учетом этого значение коэффициента спектральной яркости чистой воды в этом канале должно быть равно 0 (абсолютно черное тело). Так как часто по причине помех атмосферы это значение больше нуля, то в нашей работе разница принималась за значение атмосферной дымки и впоследствии вычиталась из других значений снимка в ближнем инфракрасном канале (БИК):
Р ¿с о гг = Р ^0- Р X , (2.18)
где р^согг - атмосферно скорректированное значение отраженной солнечной радиации; рХ0 - значение коэффициента спектральной яркости без атмосферной коррекции; р^ - значение атмосферной дымки.
С 2015 г. Архив Геологической службы США (USGS) предоставляет возможность заказа снимков с предварительно проведенной автоматической атмосферной коррекцией. Расчет мутности воды проводился в пакетном приложении ArcGis с помощью инструмента Raster Calculator. Осуществляется ручная фильтрация точек, чтобы исключить значения, пришедшиеся на сушу или искусственные завышения мутности. Создание маски суши для рек выполняется отдельно для каждого объекта из-за переформирований русла. Для отделения суши от реки используется ближний инфракрасный канал снимков для соответствующей даты. Далее полученные значения накладывались на соответствующую карту мутности и при визуальном анализе отбрасывались ложно завышенные или заниженные значения мутности - смешанные береговые пиксели, ошибочно дешифрированный подводный рельеф русел, облака и тени от них.
Калибровочные снимки
Архив снимков
Л.
Рад и ом етри ч е с ка я/атм ос фе рн а я коррекция
О
Полевые данные о мутное™ воды {для периода калибровки)
Конвертирование мутности воды
S*
Построение карт и профилей мутности
Рисунок 2.11. Алгоритм моделирования мутности воды SSC по спутниковым снимкам LandSAT, использованный в работе для р. Лена, Селенга, Верхняя Ангара, Колыма
В последние годы технология дешифрирования мутности стала активно использоваться в различных региональных исследованиях (табл. 2.8) с применением снимков низкого разрешения MODIS [Park, Latrubesse, 2014], Terra ASTER [Pavelsky et al., 2009], высокого - Landsat [Hellweger et al., 2004; Wang et al., 2010] и сверхвысокого - IKONOS, QuickBird [Sawaya et al., 2003], GeoEye-1 [Чалов С.Р., 2009]. Диапазон мутности сильно влияет на характер зависимости отражательной способности воды от концентрации взвеси. При относительно низких значениях мутности (при концентрации взвеси до 100-150 мг/л) зависимость наблюдается линейная. В таких случаях при оценке мутности используются красный [Froidefond et al., 2004; Guttler et al., 2013; Pavelsky et al., 2009] и ближний инфракрасный каналы [Doxaran et al., 2002; Onderka, 2007; Wang et al., 2007], так как в них наблюдаются наибольшие корреляции параметра яркости с параметром мутности. Большие отличия спутниковых систем связаны как с региональными особенностями зависимостей (крупность и цвет взвеси), так и с условиями отбора: промежуток времени между получением калибровочных проб и спутниковой съемки; местом отбора проб; диапазоном точек мутности, используемых в зависимости. При высоких значениях связь спектрального образа с величиной мутности постепенно ослабевает, и зависимость приобретает экспоненциальный вид. При SSC взвеси более 500 мг/л мутные воды становятся практически спектрально не различимыми [Чалов С.Р., Базилова, Тарасов, 2017; Eleveld et
al., 2008; Wang, Lu, 2010].
Таблица 2.8. Сводная характеристика исследований мутности воды с помощью ДЗЗ, полученных в данной
работе и приводимых в литературе
Спутник Длина Объект Диапазон Вид зависимости R2 Ссылка на
волн, нм мутности литературу
Landsat 5 Landsat 7 630-690 р. Гвадалквивир 1,5-8 НТУ log(T + 0.01) = 1.195 + 14.45* р Хк) 0.78 [Bustamante et al., 2009]
IRS-1A 620-680 вдхр. Тава 15-45 НТУ 0.88 [Choubey, 1992]
SPOT-HRV2 610-680 вдхр. Tuttel Creek 3-15 НТУ T = 2.4*р Хш - 83.1 0.93 [Goodin et al., 1996]
SeaWiFS 645 зал. Тампа 0,9-8 НТУ T = 1.04* р Хк (490)-0.8 0.67 [Chen et al., 2007]
MODIS 620-670 р. Адур 0,5-70 НТУ T = 1.3* р Х + 0.4 0.99 [Petus et al., 2010]
Landsat ETM+ 780-890 р. Янцзы 0-900 мг/л SSC = 71.4рХик - 272.5 0.96 [Wang et al., 2009]
Sentinel 650-680 Дельта р. Волга < 20 мг/л SSC = 1.04* р Хк47.23 0.7 Данные М.В. Зимина и М. Карашовой
< 30 мг/л SSC = 2.2* р ХК42.2 0.73
Landsat 8 640-670 р. Лена (Якутский узел) 5-15 мг/л SSC = 540.2* р Хк - 2.6 0.91 автор
Landsat 8 640-670 р. Лена (от г. Якутска до устья Вилюя) 10-22 мг/л SSC = 891.1* р Хк - 7.6 0.82
Landsat 8 Landsat 7 640-670 630-690 Дельта р. Селенга 10100 мг/л SSC = 2.4* р Ж - 22.9 SSC = 0.02* р ХК - 94.8 0.87 0.87
GeoEye-1 520-590 440-500 р. Вывенка < 100 мг/л SSC = 3300 р Хзел - 183 SSC = 12500 р ХСин - 712 0.95 0.78
Landsat 8 Landsat 7 640-670 630-690 Дельта р. Верхняя Ангара 10100 мг/л SSC = 1.14рХик + 2.67 0.84
Landsat 8 640-670 р. Колыма, створ г.п. Черский 25-60 мг/л SSC = 0.45 е0 0067Р*к 0.74
Спектры: зел - зеленый; к - красный; ик - инфракрасный; син - синий.
Отличия зависимостей друг от друга связаны с составом взвешенных наносов. Огромную роль могут играть временные отличия подспутниковых данных от даты съемки. При относительно низких значениях мутности (при концентрации взвеси до 100-150 мг/л) зависимость наблюдается линейная. При более высоких значениях связь спектрального образа с величиной мутности постепенно ослабевает, и зависимость приобретает экспоненциальный вид. По расчетам М.И. Карашовой и М.В. Зимина, в дельте Волги маловодный и средневодный режимы характеризуются более пологими кривыми 88С = Хрх) с постепенным возрастанием, тогда как кривая связи в многоводный период растет экспоненциально (рис. 2.12А). На это оказывает влияние и меняющийся состав взвеси. Сравнение данных для р. Лены в районе г. Якутска за 2016 и 2020 гг., полученных для разных сезонов, показало, что при меньших расходах воды, соответствующих и меньшей крупности взвеси (расход воды 12 700 м/с от 9 июля 2016 г., крупность взвешенных наносов ё50 = 0.09 мм), поле точек смещается на графике 88С = Хрх) в нижнюю правую область (рис. 2.12Б). При больших расходах воды
(25 502 м /с) 25 июня 2020 г. и большей крупности взвешенных наносов (d50 = 0.14 мм) поле точек SSC = Хрх) смещается в верхнюю часть графика. Эти обстоятельства исключают возможность создания универсальной зависимости спектрального образа от мутности воды. В определенную фазу водного режима необходимо использовать зависимость пересчета коэффициента отражения на спутниковом снимке в истинные значения концентраций взвешенных наносов в водной толще. При этом постоянство состава взвеси даже удаленных участков крупных рек определяет сходство зависимостей SSC = Хрх). Полученные для одной фазы водного режима (точки, снятые 20 июня 2020 г. и после 27-28 июня 2020 г.), но для разных участков Лены (до и после впадения Алдана) данные SSC = f(px) формируют единую зависимость.
Для оценки ошибки моделей считались средние линейные отклонения смоделированных значений от измеренных. Рассчитывались средние линейные отклонения смоделированных значений от реальных, полученных в полевых условиях:
Ср. откл. = (SSCm - SSCf)/n, (2.19)
где ср. откл. - среднее отклонение в мг/л; SSCm - смоделированное значение концентрации взвеси, SSCf - реальное значение концентрации взвеси по полевым данным, n - число проверочных точек.
Ср. откл. (%) = 55С;;с/55С/ * 100/n. (2.20)
Измерения в дельте Селенги, выполненные в 2011-2015 гг. (табл. 2.9), использовались для определения качества снимков. Весь массив данных с измерениями концентрации взвешенных частиц был случайным образом разделен в пропорциях 2 к 1, то есть 2/3 точек использовались для построения модели, 1/3 - для ее верификации. Итоговая погрешность определения концентрации взвешенных частиц для снимков Landsat 8/OLI и UK-DMC2/SLIM-6-22 составила 3,6 мг/л, для SPOT 6/NAOMI и Sentinel-2/MSI 4,2 мг/л, для Landsat5/TM 5,8 и 7,6 мг/л для зеленого и красного каналов соответственно. Зависимости для трех каналов видимого спектра крайне похожи и имеют коэффициенты детерминации от 0.91 до 0.95. Наибольший коэффициент R2 = 0,95 наблюдается для красного канала. Как видно из таблицы (табл. 2.9), уравнения, полученные с использованием автоматически атмосферно скорректированных данных, имеют различные коэффициенты и показатели точности. Среднее отклонение смоделированных значений от реальных составило 3 мг/л (15%). Все зависимости для спутниковых съемочных систем имеют коэффициент детерминации больше 0.8, следовательно, для выбранных данных зависимости являются значимыми. Наихудшая связь наблюдается для гиперспектральных снимков Headwall (0.53), что связано с неудовлетворительной коррекцией изначальных данных. Наилучшие связи наблюдаются для снимков Landsat 8/OLI (панхром) и Sentinel-2/MSI. Эти снимки имеют улучшенное пространственное разрешение по сравнению с мультиспектральными снимками со спутников Landsat 5 и 8 и UK-DMC2, что, скорее всего, повлияло на качество аппроксимации.
А
26
и 21 00 21 00
16
11
25.06.2020
SSC = 891.5рЛ к - 7.6 R2 = 0.82
046.7рЛ к - 13.1
Б
6
0.015
540.3рЛ к - 2.6 R2 = 0.91
рЛ к
0.02
0.025
0.03
Рисунок 2.12. Сводные зависимости мутности воды от яркости пикселей космических снимков LandSAT и Sentinel, полученные в разные фазы водного режима для дельты Волги (А) и р. Лена на участке от г. Якутска до
устья р. Вилюй (Б)
Оценка точности дистанционных моделей для р. Лена проводилась при переносе калибровочной зависимости, полученной по одному массиву полевых данных, на снимок, полученный для других, не использованных при построении зависимости полевых данных. При применении уравнения от 2016 г. к спутниковому снимку от 25 июня 2020 г. (измерения 20, 27 и 28 июня 2020 г. ) значения абсолютной погрешности смоделированных концентраций достигали 3 мг/л. Результаты верификации уравнения 2020 г. по спутниковому снимку от 9 июля 2016 г. выявили отклонения смоделированных значений от фактических в пределах 4.1 мг/л, ср. откл. (%) = 15 %. Средние отклонения модельных значений от полевых данных для снимка 25 июля 2020 г. составили 2.1 мг/л (13 %), для снимка 9 июля - 2.2 мг/л (15 %).
Таблица 2.9. Зависимости спектральной яркости пикселей снимков ( р А) различных съемочных систем от концентрации взвешенных частиц в дельте р. Селенги (5) и показатели оценки их качества
Спутн иковая система Диапазо н спектра, нм (канал) Прос транст-венное разрешение, м Уравнение зависимости 2 Средн ее отклонение, мг/л Кол ичество точек
Landsat5/TM 530-610 (зел) 30 SSC = 756.0 р А - 33.4 0,84 5 (30%) 20
630-690 (кр) 30 SSC = 801.3 р А - 21.9 0,87 7 (20%) 20
Landsat 8/OLI 530-600 (зел) 30 SSC = 505.7 р А - 38.1 0,87 2 (15%) 44
530-600 (зел)* SSC = 0.05 р А - 7.6 0,83 2 (15%) 44
600-680 (кр) 30 SSC = 429.11 р А - 17.5 0,87 2 (15%) 44
600-680 (кр)* SSC = 0.05 р А - 3.8 0,80 2 (15%) 44
500-680 (панхром) 15 SSC = 492 р А - 30.6 0,93 2 (15%) 63
UK-DMC2/ SLIM-6-22 520-600 (зел) 22 SSC = 0.96 DN - 8.9 0,87 2 (15%) 37
630-690 (кр) 22 SSC = 0.99 DN - 5.1 0,88 2 (15%) 37
770-890 (БИК) 22 SSC = 0.93 DN + 0.04 0,91 2 (15%) 37
SPOT 6/NAOMI 620-690 (кр) 6 SSC = 2100.3 р А - 186.3 0,85 3 (15%) 17
ULM/Headwal 534 (зел) 5 SSC = 455.8 р А - 17.2 0,53 - 14
Sentinel-2/MSI 650-680 (кр) 10 SSC = 1082.4 р А - 15.3 0,95 3 (15%) 27
* Модели, созданные по данным Landsat 2013 г. с автоматической атмосферной коррекцией.
Опытным путем было установлено, что размер водного объекта должен быть не менее 3 пикселей для определения мутности по снимкам, что достаточно для выделения чистых пикселей воды на снимке для определения мутности воды. Например, в случае подспутниковой съемки Landsat8/OLI (панхроматический канал) ширина реки на снимке соответствует минимум 3 пикселям и, таким образом, не менее 45 м. Была получена зависимость используемой спутниковой системы, имеющей определенное пространственное разрешение снимка, от ширины водного объекта (рис. 2.13). Рассматривались спутниковые системы низкого разрешения, такие как SeaWiFS, Terra MODIS, MERIS, среднего разрешения: LandSat 4, 5, 7, 8, IRS 1C/1D, SPOT - HRV2, Terra ASTER, высокого -Sentinel-2 и сверхвысокого разрешения IRS-P6 и GeoEye-1 [Дворкин и др., 2013]. В связи с этим координаты опорных точек, по которым проводились сплошные линии, ограничивающие диапазон применения, вычислялись по формуле: Y = 3*X, где Х - величина пространственного разрешения в метрах.
Рисунок 2.13. Применимость спутниковых систем в изучении мутности воды рек разного размера
Проведенное исследование по поиску зависимости яркости пикселей снимка от концентрации взвешенных частиц в воде позволило сформулировать рекомендации по использованию методов дистанционного определения мутности воды. Их выполнение позволяет использовать методологию дистанционного определения мутности спутниковых снимков с погрешностью от 12 до 22 %:
1. Зависимости SSC = Хрх) устанавливаются для разных фаз водного режима для территорий, характеризующихся относительно однородным составом взвешенных наносов.
2. При отборе проб водный объект должен иметь достаточно большие размеры для выделения чистых пикселей воды на снимке (не менее 3 пикселей на ширину реки). Граничные условия применимости снимков устанавливаются в соответствии со схемой рис. 2.13.
3. Пробы воды для параметризации зависимостей SSC = Хрх) должны отбираться вдали от мелководий, которые на снимках часто читаются как участки повышенной мутности воды. Рекомендуемая глубина применения методики дешифрирования мутности - более 1 м.
4. Для параметризации зависимостей SSC = Хрх) необходимо охватить максимальный диапазон значений SSC в пределах исследуемого водного объекта, при этом особенно важны малые значения концентраций. Например, при исследовании рек очень важно иметь данные не только из основного русла, но и из небольших притоков или пойменных чистых озер. При правильном выборе мест отбора проб для построения модели достаточно 15-20 точек, плюс 5-10 точек для верификации полученной модели. Позиционирование места отбора пробы воды на определение мутности воды должно происходить одновременно со взятием материала с точностью до 1 м.
5. Отбор проб воды желательно проводить во время, максимально приближенное к дате съемки со спутника, или для однородных периодов водности. Уточнение указанных условий
проводится по ближайшему гидрологическому посту. При постоянном расходе воды можно использовать в анализе данные в пределах недели до и после даты съемки, при меняющемся расходе - не более 2-3 дней.
6. Для построения зависимостей рекомендуется использовать красный канал видимого спектра. К снимкам должны применяться радиометрическая и атмосферная коррекция. Рекомендуются автоматические алгоритмы их проведения.
2.3.2. Метод индикации плановых переформирований
Для оценки вклада русловой эрозии в перераспределение наносов разработан метод индикации плановых переформирований (ИПП), основанный на ГИС-анализе совмещенных планов русла,
восстановленных по доступным космическим снимкам и картографическим ресурсам [Чалов С.Р.,
2 2
Чалова, Школьный, 2021]. Он направлен на расчет площадей зон размыва (F3, м ), намыва (F2, м ) и неизменившегося русла (Fi, м ). Используются методы полуавтоматического дешифрирования [Школьный и др., 2018], выполняемые либо на основе существующих глобальных баз данных, в частности Global Surface Water Explorer GSWE [Pekel et al., 2016], либо на основе обработки коллекции доступных снимков. Период применения ИПП в первом случае лимитируется 1984 г. (архив снимков LandSAT 5), во втором может быть расширен до 50 лет. Так, при реализации метода ИПП для р. Камчатка использовались снимки 1964-1975 гг. программы KeyHole и современные (2012-2018 гг.) снимки Quickbird, Worldview и Spot.
Любой участок русла (речной долины) представлялся состоящим из трех участков (рис. 2.14):
1 участок - неизменившееся русло, соответствующее границам русла, сохранившимся в исследуемый отрезок времени;
2 участок - область образования новой поймы, сформировавшейся за исследуемый период вследствие деформаций (смещений) русла;
3 участок - область размыва, соответствующая части поймы, уничтоженной за исследуемый период времени в ходе русловых деформаций и смещений русла.
Рисунок 2.14. Метод индикации плановых переформирований (ИПП) для расчета параметров эволюции участков пойменно-руслового комплекса разветвленной реки
Полученные параметры используются для оценки скорости размыва берегов в пределах зоны размыва. Для этого площадь размываемого берега F3 соотносится с длиной зоны размыва L3 (см. рис. 2.14) для определения его средней ширины:
Яразм = ¡Г (2.21)
Разделив получившееся значение на количество лет n между съемками, оценивают скорости размыва берега за период ( сраз м , м / г о д ):
'-раз м _ " ■ (2-22)
Для верификации результатов расчета участков деформаций с использованием глобальных баз данных GSWE были использованы оценки для р. Обь, сопоставленные с данными оцифровки береговых линий за разные годы - 1969, 1984, 2018 по космическим снимками Sentinel-2, Landsat 5, CORONA KH 4A [Куракова, Чалов Р.С., 2019]. Отклонения расчетных значений сразм, полученных двумя методами, находятся в пределах 20 %.
Сопоставление этих данных с высотой пойменного массива Нпойм (м), рассчитываемой относительно средней глубины русла в створе размыва, позволяет определить объем наносов, поступивших в русло реки в результате размыва берегов (Жрусл, м /год):
^русл _ С раз м Нпойм L3- (2-23)
Значения высот берегов могут быть получены либо с использованием цифровой модели рельефа ArcticDEM (https://www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/) при построении поперечных профилей в створах наибольшего размыва на выделенных участках, либо на основе одномерных гидравлических зависимостей. Первый способ предполагает снятие абсолютного значения высоты берегового уступа и
вычитание соответствующей данному пикету высоты уреза воды. Несмотря на значительную погрешность, возникающую при применении данной методики, более точные результаты (для существующих в настоящее время моделей рельефа) возможны только при детальном анализе каждой ячейки-источника съемочной миссии, водного режима на дату съемки и требуют значительных объемов наземной верификации [Dai et al., 2018]. В то же время полученные значения относительной высоты берегов для обследованных участков соответствуют измеренным превышениям бровок над урезами воды на спаде половодья с расхождением до 0.7 м. Методика гидравлической оценки величины h связана с обратным расчетом по формулам Шези - Маннинга от значений руслонаполняющего расхода воды, который может быть принят равным среднемаксимальному. Для определения расхода воды и их изменения по длине рек (в пределах расчетных участков) может быть использована модель формирования речного стока на водосборе. Подробно эта методика описана А.С. Завадским для рек бассейна Селенги [Эколого-географический атлас-монография Селенга-Байкал, 2018] с использованием модели ECOMAG [Морейдо, Калугин, 2017].
2.4. Статистические методы обработки данных
Для количественной характеристики и анализа изменчивости характеристик стока и состава наносов, получаемых мониторинговыми, полевыми и дистанционными методами измерений, в работе использован аппарат теории вероятности и математической статистики, изложенный в [Христофоров, 1994; Rodda, Little, 2015]: среднее (MEAN), дисперсия (D), среднеквадратичное отклонение (SD),
коэффициент вариации (CV), коэффициент асимметрии (С), коэффициент корреляции Пирсона (cor),
2 2 коэффициент детерминации (R). Исправленный коэффициент детерминации R d -
скорректированный коэффициент детерминации, рассчитывается при включении в модель
дополнительных независимых переменных. Величина p-value - наименьшая величина уровня
значимости, при которой нулевая гипотеза отвергается для данного значения статистики критерия.
Для определения значимости [Wasserstein, Lazar, 2016] нами использовалось общепринятое значение,
равное 0.05. Для оценки выраженности масштабов изменчивости стока наносов введены критерии
неоднородности осадков, расходов воды и параметров стока и состава наносов для
последовательности ряда, соответствующего анализируемой частоте (масштабу времени T):
Для осадков: АХ = Хтах/Х0 (2.24)
Для расходов воды: АQ = 0тах/0о (2.25)
Для мутности воды: АS = SSCmax/SSC0 (2.26)
Для расходов взвешенных наносов: АR = QRmаx/QR0 (2.27)
Для расходов влекомых наносов: АО = QGmax/QG0 (2.28)
Для интегральной оценки стока наносов: А(QR+QG) = (QR+QG)max/(QR+QG)0 (2.29)
Для характеристик х состава наносов: АСх = Сх max/ Сх0, (2.30)
где значение с индексом «max» соответствует максимальному в последовательности; значение с индексом 0 - среднему в последовательности. Обобщение данных о соотношении колебаний стока взвешенных и влекомых наносов относительно колебаний расходов воды дает параметры: AR/AQ и AG/AQ. В дальнейшем разные масштабы временных изменений характеризуются соответствующими параметрами с индексами «год» для многолетних колебаний, «сез» - сезонных, «син» - синоптических (глава 5). Расчет коэффициента неоднородности для сезонных колебаний стока наносов производился для отдельных n лет:
„п SSCmax
Д S с е з (2.31)
n v у
„п QRmax
Д Rc е з = 1 QR0 , (2.32)
n v у
где n - общее число лет.
При изучении разных масштабов временной изменчивости использованы характерные статистические параметры. Для многолетних изменений характеристик стока наносов использована оценка трендов среднегодовых расходов взвешенных наносов рек РФ за период с 1980-1990-х гг. по 2010-2016 гг. (с продолжительностью периода наблюдений не менее 20 лет):
AWr = (Wr2 - Wr1) / Wr1 (%), (2.33)
где WR1 - среднегодовой расход взвешенных наносов за начальный период времени; WR2 -среднегодовой расход взвешенных наносов за конечный период времени. Используются также упрощенные коэффициенты WR1/WR2, характеризующие отношение измененного стока наносов к фоновому. В основе метода лежат подходы, реализованные в модели WRTDS (Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season model) [Hirsch, Moyer, Archfield, 2010]. Оценка многолетних изменений концентраций химических элементов в составе взвеси характеризовалась величинами Ac0 (изменение весовых концентраций) и AVc0 (изменение объемных концентраций, 1.18) относительно фоновых значений сх0 и Vcx0 соответственно.
Для изучения синоптических, вызванных быстрыми изменениями уровня и расходов воды, и макротурбулентных колебаний мутности воды, связанных с образованием вихревых структур в речных потоках, использованы данные измерений уровня и мутности воды с помощью автоматических логгеров мутности, основанных на нефелометрическом принципе. Записи выполнены в 2012-2020 гг. на 16 реках России, Швеции и Монголии (всего 37 рядов). Они разделяются на 22 высокочастотных (частота записи менее 1 минуты) и 15 низкочастотных (частота записи от 2 до 30 минут) рядов (табл. 2.10). Низкочастотные ряды были приведены к единому 20-минутному интервалу наблюдений. Для удаления шумов и выбросов или экстремумов в соответствии с рекомендациями [Rodda, Little, 2015] была использована нелинейная фильтрация - 11-точечная скользящая медиана. Дальнейшее осреднение происходило при помощи функции openair::timeAverage из пакета openair языка программирования R, которая позволяет привести временной ряд к заданному интервалу.
В случае интервала записи срочных данных 1, 5, 10 минут происходило осреднение каждые 20 минут, для ряда данных с частотой измерений 15 минут — экстраполяция [Чалов С.Р., Цыпленков, 2020].
Таблица 2.10. База данных низкочастотных (частота записи более 2 минут) рядов уровня (И, м) и оптической мутности воды (Т, НТУ) для характеристики синоптических и макротурбулентных колебаний
содержания взвешенных наносов
Река Пост* Модель логгера записи T, НТУ Начало Конец Период, сут. Частота измерений, мин. F, км2 H, м ^бас, км L, км
Хаара Бурен Толгой YSI 6820 V2 06.05.12 03.09.12 121 15 14 534 1 185 208 350
Селенга Улан-Удэ SEBA MPS-D8/Qualilog8 15.06.12 30.06.12 6 2 440 000 600 800 897
Сухая Елизовская гст № 5 SEBA MPS-D8/Qualilog8 30.07.12 01.08.12 2 2 1.94 1 256 8.9 1.1
Сухая Елизовская ВГ1 SEBA MPS-D8/Qualilog8 19.06.14 21.06.14 2 2 1.26 1 441 2.4 1.9
Цанык Ц1 SEBA MPS-D8/Qualilog8 09.04.15 12.04.15 3 2 1.7 387 1.7 0.9
Лангери «Себа» SEBA MPS-D8/Qualilog8 01.06.15 20.08.15 80 2 351 470 20 26
Джанкуат гст Джанкуат ANALITE NEP495 15.06.16 20.07.16 35 15 9.1 3 272 3.7 1
Сухой Ильчинец «Мост» ANALITE NEP495 14.08.16 23.08.16 9 1 135 523 24 26.7
Велеса Сосвятское RBR SOLO Tu 27.05.17 23.10.17 149 5 470 223 44.5 87
Тарфала гст № 1 ANALITE NEP495 11.08.17 25.08.17 14 10 28.6 1 352 8.9 5.1
Тарфала гст № 2 LISST 22.07.14 25.07.14 3 2 20.7 1 430 5.5 2.3
Тарфала гст № 3 SEBA MPS-D8/Qualilog8 15.08.17 27.08.17 12 10 1 1 623 2.6 0.5
Сетунь Аминьево ANALITE NEP495 16.11.19 30.01.20 76 10 96 - - 16
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.