CC BY
35
УДК 550.42:57.4
СПОСОБ РАСЧЕТА И ВОЗМОЖНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В ГОЛОЦЕНЕ
Моисеева Юлия Александровна1,
Савичев Олег Геннадьевич1,
1 Национальноый исследовательский Томский политехнический университет, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Актуальность. Знание палеогидрогеологических условий является важным фактором в решении задач оценки ресурсов подземных вод и их качества, поисков полезных ископаемых, проектировании полигонов бытовых и промышленных отходов, а также необходимым условием разработки методов долгосрочного прогноза изменений окружающей среды. В решении ряда таких задач для исследуемого региона определяющую роль играют процессы водообмена (общего и подземного). Цель исследования: разработка и обоснование методики палеогидрологических реконструкций подземного стока, построение математической модели на ее основе и выявление долгосрочных изменений подземного стока в Западной Сибири и факторов, их определяющих.
Методы: географо-гидрологический и статистические методы, математическое моделирование гидрологических и гидрогеологических процессов.
Результаты и выводы. Предложена методика палеогидрологических реконструкций подземного стока. На основе опубликованных среднемноголетних данных построена математическая модель. Получены выводы о вероятностных изменениях суммарного и подземного стока при пяти различных сценариях изменения температуры воздуха и атмосферного увлажнения. Выявлена зависимость между годовым подземным стоком от суммы атмосферных осадков за тёплый период и коэффициента суммарного стока; на основе этой зависимости разработана и апробирована методика реконструкции подземного стока на примере водосборов рек Чузик (южно-таёжная подзона, элемент речной сети Оби) и Турухан (граница северной тайги и лесотундры, приток Енисея); показано, что увеличение подземного стока возможно при росте атмосферных осадков и при похолодании; уменьшение подземного стока определяется, прежде всего, уменьшением атмосферного увлажнения и ростом заболоченности.
Ключевые слова:
Подземный сток, палеогидрологические реконструкции, математическое моделирование, Западная Сибирь, атмосферное увлажнение.
Введение
Знание палеогидрогеологических условий является ключом к решению целого ряда гидрогеологических, геоэкологических, геохимических задач и необходимым условием разработки методов долгосрочного прогноза изменений окружающей среды. В частности, при проектировании объектов нефтегазового комплекса Западной Сибири нужно учитывать очень высокую и прогрессирующую заболоченность региона [1, 2], которая обусловлена сочетанием избыточного увлажнения и слабой дренированности водосборов. Последний фактор, в свою очередь, связан с общим и подземным водообменом, что и определило цель исследования - выявление изменений подземного водного стока. Исследование выполнено в продолжение работ по реконструкции гидрологических условий на двух типовых участках - водосборах рек Чузик (элемент системы Чузик - Парабель - Обь - Карское море; южно-таёжная подзона) и Турухан (элемент системы Турухан - Енисей - Карское море; граница северной тайги и лесотундры). Более подробная характеристика указанных рек приведена в [3].
Методика исследования включала в себя три основных этапа: 1) обоснование способа расчёта подземного стока; 2) разработку математической модели подземного стока; 3) реконструкцию подземного стока на основе разработанной модели.
Для апробации модели подземного стока, как и в случае реконструкции суммарного стока рек Чу-зик и Турухан [3], использовались опубликованные среднемноголетние данные, полученные для 38 средних рек Сибири за условно однородные периоды (средние реки с площадью водосбора от 2000 до 50000 км2 выбраны с учётом зональных условий формирования их стока). Кроме того, при обосновании способа расчёта подземного стока использованы данные о среднемесячных уровнях подземных вод на режимных скважинах государственной наблюдательной сети в Томской области [4-6], уровнях и расходах вод рек Парабель у с. Новиково, Тым у с. Напас, Кеть у п. Максимкин Яр, Чая у с. Подгорное, Васюган у с. Средний Ва-сюган [7, 8].
Обоснование способа расчёта подземного стока
В настоящее время проблема оценки современного подземного стока неоднократно поднималась в работах [9-16]. Достаточно часто используется метод расчленения гидрографа, основанный на допущении о равенстве подземного стока и подземной составляющей речного стока, причём обычно в предположении преобладания подпорного режима взаимодействия речных и подземных вод. Однако в долинах равнинных рек Западной Сибири даже с
сильно заболоченными водосборами в ряде случаев наблюдается нисходящий режим. В целом можно отметить, во-первых, сохраняющуюся до сих пор неопределённость соотношения понятий «подземный сток» и «подземная составляющая речного стока» [14]. Во-вторых, подпорный режим в период весеннего половодья в регионе наблюдается только в пойме, в то время как поступление подземных вод в долину обычно приурочено именно к половодьям и паводкам (рис. 1).
Sí
I
II
III
Расстояние от условного начала, м Distance from arbitrary origin, m
Рис. 1. Поперечный профиль долины реки Колга (элемент сети Колга-Чижапка-Васюган-Обь);условные обозначения: I - поверхность долины и русла; II - уровень воды в реке Колга (середина июня; спад половодья); III - уровень грунтовых вод (измерения проводились одновременно с измерением уровня речных вод)
Fig. 1. Cross-section of Kolga River Valley (Kolga-Chizhap-ka-Vasyugan-Ob); symbols: I is the surface of the valley and the river course; II is the water level in Kolga River (mid-June); III is the groundwater level
С учётом этого в работе [7] был рассмотрен способ восстановления среднемесячных расходов подземных вод по регрессионным зависимостям от
уровней подземных вод вида (1), которые, в свою очередь, базируются на: 1) использовании формулы Дюпюи; 2) представлении инфильтрации в виде линейной функции уровня подземных вод; 3) допущении, что график зависимости, полученной за зимний период (когда речной сток примерно равен подземному), существенно не меняется в весенний и летне-осенний периоды:
Qgrцу = «о + ,1 + а2,1 -), (1)
где Qgl^Z) - расход подземных вод в ¿-месяц; 21г и -уровни подземных и речных вод в ¿-месяц; а0, а1, а2 - коэффициенты регрессии. Апробация этого способа была выполнена ранее в [7] по данным наблюдений за период до 2005-2007 гг. Авторами была уточнена оценка подземного стока в водосборах рек Васюган, Парабель, Чая, Тым, Кеть и соответствующие параметры а0, а1, а2 за счёт использования более длинных рядов (до 2012-2015 гг.) и приводки к среднемноголетним значениям суммарного стока (табл. 1).
Величины квадрата корреляционного отношения В2 между измеренными (в зимний период) и вычисленными по уравнению (1) значениями во всех случаях были выше критического значения 0,36 [17, 18], что свидетельствует о возможности использования данного способа оценки подземного стока в качестве базового. Однако у него имеется и существенный недостаток, связанный с отсутствием или ограниченностью во многих случаях гидрогеологических наблюдений. Принимая это во внимание, было проведено сопоставление значений подземного стока в водосборах рек Васюган, Пара-бель, Чая, Тым, Кеть, полученных по уравнению (1) и в результате линейной интерполяции между
Таблица 1. Оценки подземного стока и параметры расчётных уравнений (1)
Table 1. Assessment of groundwater flow and the calculated parameters of equations (1)
101
97
93
89
85
81
0
800
1 200
Река-створ River-cross section Номер скважины (возраст отложений) Well number (sediment age) Qgr (li), м3/с (m3/s) Qgr (ZV м3/с (m3/s) Qgr H)/Qgr (li) Коэффициенты регрессии (1) и погрешности их определения The regression coefficients (1) and errors in their definition R
a0±Sa a1±Sa a1±Sa
р. Васюган - с. Средний Васюган Vasyugan River - Sredniy Vasyugan 169p (QMtb+2Qmtb) 44,3 8',G 1,85 - 4,8G±G,8' -G,37±G,G8 G,44
р. Парабель - с. Новиково Parabel River - Novikovo 129p (P3lg) '3,1 39,7 17' -3H3,6G±196,68 43,87±',43 -G,17±G,G' G,93
р. Чая - с. Подгорное River Chaya - Podgornoe 94р (Qi„) 41,4 4',3 1.G' - G,1G±G,G4 G,1G±G,G1 G,38
р. Тым - с. Напас River Tym - Napas 156р (aQi-tb+ftlt+ftnm) 67,' 1G',7 1,53 -б0l1,l7±1l58,39 94,41±19,56 1,GG±G,39 G,53
р. Кеть - п. Максимкин Яр River Ket -Maksimkin Yar 113р (2aQ„+aQ, Itb+N1) 98,3 15',8 1,55 - 68,9G±'G,99 -G,45±G,1G G,45
Примечание: Qgr и - расход подземных вод, рассчитанный по зависимости (1); Qgr щ - расход подземных вод, рассчитанный по зависимости (2); R2 - квадрат корреляционного отношения для уравнения (1); приводка выборочных средних к среднемноголет-ним значениям проводилась путём умножения на соотношение (Qp/Qn), где Qp - выборочное среднее значение суммарного стока; Qn - среднее многолетнее значение суммарного стока по [7].
Note: Qgr и is the groundwater discharge, calculated from the dependence (1); Qgr (li) is the groundwater discharge, calculated from the dependence (2); R2is the square of correlation relation for (1); selected average dates were reduced to the average long-term values by multiplying by the ratio (Qp/Qn), where Qp is the sample mean total runoff; Qn is the long-term average value of the total flow, according to [7].
расходами воды в зимнюю межень (в рассматриваемом регионе - с декабря по март), когда речной сток в первом приближении может рассматриваться как подземный:
'вгД2 + (вг,12 - вг,з)(, - 3)/9,
I = 4,5,6,7,8,9,10,11; вг,, I = 1,2,3,12, (2)
-grС), '
где вит - расход подземных вод в ¿-месяц календарного года; вг - расход воды в реке в ¿-месяц. В результате установлено, что соотношение виг(г)/виг(гг) изменяется в диапазоне от 1,02 до 1,85 (рис. 2), что позволяет использовать уравнение (2) для оценки минимального (базового) подземного стока.
300 250 e 200 150 100 50
A •B • C
I II
Рис. 2.
Qgr,a = kfmBJsl
,k1LJl
f Ya } k2 11)
в « F,
L
Z Z
grb gr e
kJ
3 s
k4 HkU
(3)
(4)
(5)
(6)
где вцг,а - средний расход подземных вод; к1 - коэффициент фильтрации; В - ширина потока подземных; ¥ - площадь водосбора реки; Ь - длина реки; Jsr - напор (уклон подземных вод); Js - средневзвешенный уклон реки; т - мощность водоносного горизонта; Уа - средний слой суммарного речного стока; Иа - средний слой атмосферных осадков; Ит>0 - сумма атмосферных осадков за период с положительной температурой атмосферного воздуха; к1, к2, к3, к4, к5 - коэффициенты регрессии; .цгЬ и - уровни подземных вод в начале (в замыкающем створе реки) и конце участка (в истоках реки); т- время перемещения водных масс на расстояние Ь при падении уровня подземных вод Л£цг=.£ип(,-.£ип(, ^^Ы^/Ь). Тогда уравнение (3) может быть приведено к виду:
ккк. , ( у \к2
кз 7 >01 На ]
Q
M
gra f
-К н£0
f Ya ^k 11)
(7)
III IV V VI VII VIII IX X XI XII Месяц/Month
Гидрограф реки Парабель в створе с. Новиково; условные обозначения: А - расход подземных вод по (1); В - расход подземных вод по (2); С - суммарный расход воды
Fig. 2. Hydrographer of the Parabel River at the cross section in village Novikovo; symbols: A is the groundwater discharge by equation (1); B is the groundwater discharge by equation (2); C is the total water discharge
Разработка математической модели подземного стока
Для реконструкции подземного стока должна использоваться модель, которая одновременно должна адекватно описывать гидрогеологические условия и основываться на минимуме доступной исходной информации (обычно это - средние за какой-либо период значения температуры атмосферного воздуха и суммы атмосферных осадков, вычисленные косвенно по остаткам растительности, фауны и так далее). С учётом этого допустим, что параметры уравнения (3) могут быть представлены в виде (4-6):
где Мегд - средний модуль подземного стока; к6 -коэффициенты регрессии.
Физический смысл уравнения (7) заключается в выделении зависимости модуля подземного стока от инфильтрационного питания и степени обводнённости горных пород. Инфильтрация наблюдается преимущественно в тёплый период года, а степень обводнённости коррелирует с коэффициентом стока Уа/Иа. Апробация модели (7) была выполнена по 38 средним рекам Сибири (с площадью водосбора от 2000 до 50000 км2). Сведения об использованной исходной информации приведены в [3]. В результате получены следующие значения параметров модели (Мега в л/(с-км2), Ит>0, Уа, На - в мм/год): к2=1,197±0,123; к5=0,268±0,025; к6=1; й2=0,76 (рис. 3).
8
2 6 2 a
о ^ 4
^ 2 1
0
2 4
Mgr(m)> Л/(С'КМ2)
Рис. 3. Соотношение между средними значениями модуля подземного стока Mg,()l), вычисленными по уравнению (2), и модуля подземного стока Mgr(m), рассчитанными по уравнению (7)
Fig. 3. Ratio between the average values of the rate of subsurface water flow (specific discharge) Mgr(h) calculated according to the equation (2) and the rate of subsurface water flow Mgr(m) calculated from equation (7)
350
0
z
Реконструкция подземного стока
Средние значения температуры атмосферного воздуха Та и суммы годовых атмосферных осадков На (табл. 2) в разные периоды в течение последних 10000 лет приняты согласно [19-24]. Сумма среднемесячных положительных температур воздуха ЕТ>0 определялась по зависимости (8), сумма атмосферных осадков за тёплый период - по зависимости (10):
£Т>0=68,197ехр ((0,059±0,003)Та); Я2 = 0,80, (8)
HT>0 = exp( -1,111 + 0,361) H
(9)
х(2Т>0)
где Я2 - квадрат корреляционного отношения. Более детально использованная методика восстановления климатической информации и состоянии территорий, соответствующих современным водосборам рек Чузик и Турухан, охарактеризована в [3]. Там же предложена и обоснована методика восстановления среднего (за однородные периоды) слоя суммарного стока Уа с использованием следующих формул:
V тг ( Е0 ^ Су 2 Е2 ^ Уа « Vна ехр|
ГH.JI
1 + -
2H2
E = 0,3080(ET>0)2 - 0,0021( ET>0)3,
П -3/11 —.0,05^ г . 1Ч0,278 / г . 14-0,1
1Л = 0,343^ (jF + Г)' (jM +1)
1 =
zb - 500, z > 500;
1, Z ^ 500,
(10)
(11) (12)
(13)
где СгН - коэффициент вариации слоя атмосферного увлажнения; - лесистость водосбора, %; /м -заболоченность водосбора, %; коэффициенты регрессии в (8, 9) и эмпирические коэффициенты в формулах (11, 12) получены методом наименьших квадратов по данным о средних реках бывшего СССР [3]; - средняя высота водосбора, м (13). Принятые климатические и морфометрические характеристики и результаты расчёта суммарного стока рек Чузик и Турухан и их подземной составляющей приведены в табл. 2.
Анализ полученных результатов показал, что в лесотундре и южной тайге Западной Сибири наблюдаются несовпадающие по направлению и абсолютным значениям изменения элементов водного баланса, включая и подземный сток. Однонаправленных изменений суммарного и подземного стока за последние 8000-10000 лет не обнаружено, хотя нельзя не отметить тенденцию увеличения за последние 500 лет суммарного и подземного стока в водосборе реки Турухан в северо-западной части Западно-Сибирской равнины. За тот же период (последние 500 лет) в южно-таёжной подзоне (водосбор реки Чузик) при общем потеплении климата определённый рост суммарного и подземного стока наблюдается только в последние 50-60 лет (табл. 2). Подземная составляющая суммарного
стока реки Чузик изменяется от 18 до 21 %, реки Турухан - от 21 до 25 % (рис. 4).
Таблица 2. Результаты реконструкции суммарного и подземного стока с территорий, соответствующих водосборам рек Чузик и Турухан
Table 2. Results of reconstruction of the total and groundwater runoff from the territories relevant to catchment areas of the Chuzik and Turuhan rivers
Река-створ Расчётный год Hydrolo-gical year Та, °С Ha H (T>0) fF fu Yy Ygi Y/H
River-cross section мм/год mm/year % мм/год mm/year [3]
•o "o -8650 -4,7 548 334 0 0 67 12 0,12
R 8 -7550 -3,0 548 348 10 0 113 23 0,21
3° -6550 2,3 455 338 16 4 42 9 0,09
-4250 0,1 538 369 30 12 83 16 0,15
-1500 -3,0 548 348 47 22 121 25 0,22
=T V 1960 -1,5 564 370 64 35 117 23 0,21
2000 -1,2 578 380 68 35 122 24 0,21
1 I -9350 -7,4 449 265 0 69 15 0,15
-8650 -11,2 382 211 70 17 0,18
9 ° x a; > .£ с -6550 -4,2 607 369 11 181 36 0,30
-4250 -6,5 520 306 38 225 54 0,43
I 5 5 6 ^ ¡±¡2 -1500 -5,5 486 296 9 1 124 28 0,25
1960 -8,3 610 336 37 331 72 0,54
2000 -7,7 634 352 38 343 73 0,54
Примечание: Та - средняя температура атмосферного воздуха; Ha - средняя сумма атмосферных осадков за год; HT>0 -сумма атмосферных осадков за период с положительной температурой атмосферного воздуха; fF и fM- лесистость и заболоченность водосборной территории; Ya - средний слой суммарного речного стока; Ygr,a - средний слой подземного стока.
Note: Та is the average temperature of atmospheric air; Ha is the average sum of atmospheric precipitation for a year; HT>0 is the amount of precipitation at positive air temperature; fF and fM are the forestness and marshiness of river basin; Ya is the average sum of streamflow depth; Ygr,a is the average groundwater flow depth.
25
>s
D
g;
¡23
S 21
5 <£
19
♦
/ X / \
• Чузик Турухан
О
В
17 -10 000
-8 000
6 000 -4 000 -2 000 0 2 000 Возраст, лет/Age, years Рис. 4. Изменения доли подземного стока на территории водосборов рек Чузик (в створе с. Осипово) и Турухан (в створе п. Янов Стан)
Fig. 4. Changing in the proportion of groundwater flow at the total flow in the area of watershed Chuzik (in cross section Osipovo) and Turukhan rivers (in cross section Ya-nov Stan)
Для более полного понимания взаимосвязей между климатическими, гидрологическими и гидрогеологическими параметрами было выполнено моделирование изменений элементов водного баланса по уравнениям (7-11) при допущении /1 и ^И&0 по пяти сценариям: I - увеличение средней температуры воздуха на 0,3 °С и атмосферных осадков на 14 мм/год; II - увеличение средней температуры воздуха на 0,3 °С и постоянное атмосферное увлажнение; III - постоянная температура воздуха и увеличение атмосферных осадков на 14 мм/год; IV - уменьшение температуры воздуха на 0,3 °С и увеличение атмосферного увлажнения на 14 мм/год; V - уменьшение средней температуры воздуха на 0,3 °С и атмосферных осадков на 14 мм/год.
По результатам расчётов сделан вывод о том, что, во-первых, увеличение подземного стока будет происходить при первом, третьем и четвёртом сценариях изменений климата, причём как при
Таблица 3. Вероятные изменения испарения (Еа), суммарного (Y) и подземного (Ygr) стока реки Чузик при различных сценариях изменения температуры атмосферного воздуха (T) и атмосферного увлажнения (Ha)
Table 3. Possible changes of evaporation (Ea), total (Ya) and underground (Ygr) runoff of the Chuzik river under different scenarios of air temperature (Ta) and atmospheric moisture (Ha) changes
потеплении, так и при похолодании. Основным условием увеличения подземного стока является рост атмосферного увлажнения, в том числе и за тёплый период. Во-вторых, уменьшение подземного стока вероятно не только при похолодании и аридизации, но и при потеплении, если атмосферное увлажнение существенно не изменится, но возрастёт испарение. В-третьих, доля подземной составляющей в суммарном стоке возрастает только при сценарии одновременного уменьшения температуры воздуха и атмосферных осадков, а при остальных сценариях падает или за счёт общего снижения стока, или вследствие более быстрого роста поверхностной составляющей (табл. 3).
Указанные выше выводы получены без учёта изменений лесистости и заболоченности водосборов, нелинейно связанных с атмосферным увлажнением. В частности, ранее в [3] было показано, что параметр /л в уравнениях (10, 12), характеризующий суммарное влияние физико-географиче-
Сценарии изменения Scenarios of changes Вероятные изменения Possible changes
Вариант Ta, °С Ha Еа Ygr Yg/Ya, %
Variant мм/год/mm/year
-2,4 522 370 152 34 22,6
-2,1 536 379 157 35 22,2
-1,8 550 389 161 35 21,8
-1,5 564 398 166 36 21,4
-1,2 578 407 171 36 21,1
I -0,9 592 417 175 36 20,8
-0,6 606 426 180 37 20,4
-0,3 620 435 185 37 20,1
0,0 634 445 189 38 19,8
0,3 648 454 194 38 19,5
0,6 662 463 199 38 19,3
0,9 676 473 203 39 19,0
-2,4 388 190 41 21,4
-2,1 393 185 39 21,3
-1,8 398 180 38 21,2
-1,5 403 175 37 21,2
-1,2 407 171 36 21,1
II -0,9 578 412 166 35 21,0
-0,6 416 162 34 21,0
-0,3 420 158 33 20,9
0,0 425 153 32 20,8
0,3 429 149 31 20,7
0,6 432 146 30 20,7
0,9 436 142 29 20,6
Сценарии изменения Scenarios of changes Вероятные изменения Possible changes
Вариант Ta, °С Ha Еа Yа Y 1 gr Yg/Ya, %
Variant мм/год/mm/year
522 387 135 30 22,2
536 392 144 32 21,9
550 397 153 33 21,7
564 402 162 35 21,4
578 407 171 36 21,1
III -1,2 592 412 180 37 20,8
606 417 189 39 20,6
620 421 199 40 20,3
634 425 209 42 20,1
648 430 218 43 19,8
662 434 228 45 19,6
676 438 238 46 19,3
0,9 522 412 110 24 21,6
0,6 536 415 121 26 21,5
0,3 550 417 133 28 21,3
0,0 564 419 145 31 21,1
-0,3 578 420 158 33 20,9
IV -0,6 592 421 171 35 20,7
-0,9 606 421 185 38 20,5
-1,2 620 421 199 40 20,3
-1,5 634 420 214 43 20,1
-1,8 648 419 229 46 19,9
-2,1 662 417 245 48 19,7
-2,4 676 415 261 51 19,5
0,9 676 473 203 39 19,0
0,6 662 463 199 38 19,3
0,3 648 454 194 38 19,5
0,0 634 445 189 38 19,8
-0,3 620 435 185 37 20,1
V -0,6 606 426 180 37 20,4
-0,9 592 417 175 36 20,8
-1,2 578 407 171 36 21,1
-1,5 564 398 166 36 21,4
-1,8 550 389 161 35 21,8
-2,1 536 379 157 35 22,2
-2,4 522 370 152 34 22,6
ских условии на сток, уменьшается по мере роста атмосферного увлажнения в интервале до 600 мм/год, резко увеличивается в диапазоне от 600 до 750 и менее интенсивно - в диапазоне свыше 750 мм/год. НелинеИные связи отмечены и в случае температуры атмосферного воздуха. Так, в [25] для Западно-Сибирской равнины установлено, что значимое торфообразование начинается при среднегодовой температуре выше минус 7 °С (при температурах воздуха около минус 7 °С и ниже торфяная залежь не формируется, но возможно её сохранение за счёт торфообразования в более тёплый предыдущий период) и достигает максимальных значений при постоянной температуре воздуха около минус 3 °С. В общем случае для исследуемых рек зависимость подземного стока от параметра /л приведена на рис. 5.
80
и
s е60
я ^
§ §40
я ¡2 S ад
20
/
„-"Л
• о-
•I
дп
0,3
0,5
0,6 0,8 0,9 Параметр/Parameter ^ Рис. 5. Зависимость подземного стока рек Чузик (I) и Туру-хан (II) от параметра /л (12), характеризующего суммарное влияние рельефа, лесистости и заболоченности; уравнения связи для: р. Чузик -Ygr=5,595exp(1,777/), R2=0,37; р. Турухан -Ygr=6,765exp(2,490/), R2=0,96
Fig. 5. Ratio of groundwater flow of Chuzik (I) and Turukhan (II) rivers on the parameter / (12), characterizing the total influence of the relief, forest cover and wetlands; Chuzik river - Yg==5,595exp(1,777/), R2=0,37; Turuhan river - Ygr=6,765exp(2,490/), R2=0,96
Параметр / уменьшается при росте заболоченности водосбора и возрастает при увеличении лесистости (12). Соответственно, при дальнейшем заболачивании Западно-Сибирской равнины даже при увеличении атмосферного увлажнения подземный сток либо существенно не изменится, либо будет увеличиваться с меньшей скоростью, чем суммарный сток. Болотные экосистемы на определённом этапе развития способны расширяться и при статистически неизменных атмосферных осадках, что, например, наблюдается в настоящее время в восточной части Васюганского болота на границе лесостепи и южной тайги. В таких случаях (при одновременном росте заболоченности и постоянном атмосферном увлажнении) возможно и определённое снижение подземного стока.
Заключение
Выявлена зависимость годового подземного стока от суммы атмосферных осадков за тёплый период и коэффициента суммарного стока. На основе этой зависимости предложена методика реконструкции подземного стока и собственно его реконструкция на двух типовых участках - водосборах рек Чузик в южно-таёжной подзоне Западной Сибири (элемент системы Чузик-Парабель-Обь) и Турухан на границе северной тайги и лесотундры (элемент системы Турухан-Енисей). Анализ полученных результатов, а также математического моделирования изменений водного баланса по пяти сценариям изменения температуры воздуха и атмосферных осадков показал, что, во-первых, в последние десятилетия наблюдаются наибольшие для голоцена (или близкие к наибольшим) значения подземного стока: 73 мм/год в водосборе реки Турухан; 24 мм/год в водосборе реки Чузик (максимум - 25 мм/год полторы тысячи лет до нашей эры). Минимальное значение годового подземного стока в северо-восточной части Западной Сибири (15-17 мм/год) наблюдалось примерно 10-11 тыс. лет назад, а в южной части современной таёжной зоны (9 мм/год) - примерно 8,5 тыс. лет назад.
Во-вторых, увеличение подземного стока (его абсолютных значений) возможно при росте атмосферного увлажнения как при потеплении, так и при похолодании. Важное значение в таких случаях играет заболоченность и лесистость водосбора: а) рост первого фактора способствует снижению подземного стока, а второго - увеличению; б) рост заболоченности нелинейно зависит от температуры атмосферного воздуха (оптимальный прирост торфяной залежи - примерно при минус 3 °С, при температуре ниже минус 7 °С вероятно в основном только сохранение торфа, образовавшегося при более благоприятных условиях).
В-третьих, вследствие разной чувствительности подземной и поверхностной составляющих суммарного стока к физико-географическим и геологическим условиям доля подземного стока (то есть его относительное значение) наиболее вероятно при сочетании похолодания и уменьшения атмосферных осадков. В-четвёртых, изменения подземного стока на территории Западной Сибири происходят несинхронно вследствие различных условий формирования водного стока, лесных и болотных экосистем. Общая закономерность изменения подземного стока, скорее всего, может быть выявлена только в пределах природной зоны или подзоны.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (проект № 14Z50.31.0012), Томского политехнического университета (проект ВИУ_У№_144_2014), РНФ 17-17-01127.
0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нейштадт М.И. Болота Обь-Иртышского междуречья // Природные условия освоения междуречья Обь-Иртыш / под ред. М.И. Нейштадта, Г.Д. Рихтера. - М.: Институт географии АН СССР, 1972. - С. 322-346.
2. Eckstein Y., Savichev O.G., Pasechnik E.Yu. Two decades of trends in ground water chemical composition in The Great Vasyu-gan Mire, Western Siberia, Russia // Environmental Earth Sciences. - 2015. - № 1. - P. 3-15. DOI: 10.1007/s12665-014-3908-z.
3. Савичев О.Г., Решетько М.В., Моисеева Ю.А. Методика реконструкции зонального водного стока в Западной Сибири в голоцене // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2016. - Т. 327. - № 5. - C. 87-96.
4. Льготин В.А., Савичев О.Г., Макушин Ю.В. Многолетние изменения среднесезонных и среднегодовых уровней и температуры подземных вод верхней гидродинамической зоны в Томской области // Геоэкология. - 2010. - № 1. - С. 23-29.
5. Состояние геологической среды (недр) на территории Томской области в 2014 г. - Томск: ОАО «Томскгеомониторинг»,
2015.- Вып. 20. - 84 с.
6. Состояние геологической среды (недр) на территории Томской области в 2015 г. - Томск: ОАО «Томскгеомониторинг»,
2016.- Вып. 21. - 80 с.
7. Савичев О.Г. Подземная составляющая стока рек бассейна Средней Оби // Мелиорация и водное хозяйство. - 2010. -№ 1. - С. 36-39.
8. Hydrological Changes: Historical Analysis, Contemporary Status, and Future Projections / A.I. Shiklomanov, R.B. Lammers, D.P. Lettenmaier et al. // Environmental Changes in Siberia: Regional Changes and their Global Consequences / Eds. P.Ya. Grois-man, G. Gutman. - Dordrecht: Springer, 2013. - Р. 111-154.
9. Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. - М.: Изд-во МГУ, 1960. - 343 с.
10. Кусковский В.С. Гидрогеологические условия формирования подземного стока рек Горного Алтая: автореф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. - Томск, 1966. - 23 с.
11. Попов О.В. Подземное питание рек. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 291 с.
12. Hendriks M.R. Introduction to Physical Hydrology. - Oxford; New York: Oxford University Press, 2010. - 331 p.
13. Гриневский С.О. Оценка инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод на основе гидрогеологических моделей: ав-тореф. дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. - Москва, 2012. - 44 с.
\
14. Боревский Б.В., Марков М.Л. Является ли меженный расход рек мерой питания подземных вод или общего подземного стока? // Разведка и охрана недр. - 2014. - № 5. - С. 10-16.
15. A new approach for continuous estimation of baseflow using discrete water quality data: Method description and comparison with baseflow estimates from two existing approaches / M.P. Miller, H.M. Johnson, D.D. Susong, D.M. Wolock // Journal of Hydrology. - 2015. - V. 522. - P. 203-210.
16. Mei Y., Anagnostou E.N. A hydrograph separation method based on information from rainfall and runoff records // Journal of Hydrology. - 2015. - V. 523. - P. 636-649.
17. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I. A discussion of principles // Journal of Hydrology. - 1970. - V 10. - № 3. - P. 282-290.
18. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. - М.: Наука, 1982. -271 с.
19. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 20. Томская, Новосибирская, Кемеровская области, Алтайский край. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 718 с.
20. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 17. Тюменская и Омская области. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. - 702 с.
21. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. - М.: Госстрой, ГУП ЦПП, 2003. - 162 с.
22. Climate changes in Siberia / P.Ya. Groisman, T.A. Blyakharchuk, A.V. Chernokulsky et al. // Regional Environmental Changes in Siberia and Their Global Consequences / Eds. P.Ya. Groisman,
G. Gutman. - Dordrecht: Springer, 2013. - Ch. 3. - Р. 57-110.
23. Gajewski K. Holocene paleoclimate data from the Arctic: testing models of global climate change // Global and Planetary Change. -
2015. - V. 128. - P. 14-23.
24. The Taimyr Peninsula and the Severnaya Zemlya archipelago, Arctic Russia: a synthesis of glacial history and palaeo-environmen-tal change during the Last Glacial cycle (MIS 5ee2) / P. Moller,
H. Alexanderson, S. Funder, C. Hjort // Quaternary Science Reviews. - 2015. - V. 107. - P. 149-181.
25. Savichev O.G., Reshetko M.V., Moiseeva Yu.A. The nonlinear effects based on peat chronology data in paleoclimatic reconstructions // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. -
2016. - V. 43. - P. 1-5.
Поступила 17.01.2016 г.
Информация об авторах
Моисеева Ю.А., инженер Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Савичев О.Г., доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
UDC 550.42:57.4
METHOD OF CALCULATION AND POTENTIAL CHANGES IN GROUNDWATER FLOW IN WESTERN SIBERIA IN HOLOCENE
Yulia A. Moiseeva1,
Oleg G. Savichev1,
1 National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050, Russia.
The relevance of the research. Knowledge of paleohydrogeological conditions is the important factor in solving the problems of groundwater resources assessment, mineral exploration, engineering domestic and industrial wastes landfill and prerequisite for development of long-term predicting methods of environmental changes.
The aim of research is to develop and substantiate the methods of paleohydrogeological reconstructions of underground water flow and to identify long-term changes of groundwater flow in Western Siberia and the factors that determine them. Methods: geographical and hydrological and statistical methods, mathematical modeling of hydrological and hydrogeological processes. Results and conclusions. The authors have proposed the technique of groundwater runoff paleohydrogeological reconstructions and determined the relationship between the annual underground runoff from amount of precipitation for the warm period and the coefficient of the total flow. Based on this relationship they developed the method of the underground runoff reconstruction and tested it by the example of watersheds of the rivers Chuzik (South taiga subzone, the element of the Ob river synodic) and Turukhan (border of northern taiga and forest tundra, tributary of the Yenisei). It was shown that the increase in groundwater runoff is possible at growth of atmospheric precipitation and climatic cooling. Decrease groundwater runoff is determined by the reduction in atmospheric moistening and growth of waterlogging.
Key words:
Groundwater runoff, paleohydrogeological reconstructions, mathematical modeling, Western Siberia, atmospheric moistening.
The research was financially supported by the Government of the Russian Federation (project no. 14.Z50.31.0012), Tomsk Polytechnic University (project BMy_VAF_144_2014), Russian Scientific Fund 17-17-01127.
REFERENCES
1. Neyshtadt M.I. Bolota Ob-Irtyshskogo mezhdurechya [Bogs of the Ob-Irtysh interfluvial]. Prirodnye usloviya osvoeniya mezhdurechya Ob-Irtysh [Natural conditions of the development interflu-ves Ob and Irtysh]. Ed. by M.I. Neyshtadt, G.D. Rikhter. Moscow, Institute of Geography AN SSSR Press, 1972. pp. 322-346.
2. Eckstein Y., Savichev O.G., Pasechnik E.Yu. Two decades of trends in ground water chemical composition in The Great Vasyu-gan Mire, Western Siberia, Russia. Environmental Earth Sciences, 2015, no. 1, pp. 3-15. DOI: 10.1007/s12665-014-3908-z.
3. Savichev O.G., Reshetko M.V., Moiseeva Yu.A. Methods of reconstruction of a zonal runoff in Western Siberia in Holocene. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2016, vol. 327, no 5, pp. 87-96. In Rus.
4. Lgotin V.A., Savichev O.G., Makushin Yu.V. Long-term changes in average seasonal and annual mean levels and temperature of groundwater in the upper hydrodynamic zone in Tomsk Region. Geoecologiya, 2010, no 1, pp. 23-29. In Rus.
5. Sostoyanie geologicheskoy sredy (nedr) na territorii Tomskoy oblasti v 2014 g. [State of geological environment (subsurface) in Tomsk region in 2014]. Tomsk, Tomskgeomonitoring Publ.,
2015. Iss. 20, 84 p.
6. Sostoyanie geologicheskoy sredy (nedr) na territorii Tomskoy oblasti v 2015 g. [State of geological environment (subsurface) in Tomsk region in 2014]. Tomsk, Tomskgeomonitoring Publ.,
2016. Iss. 21, 80 p.
7. Savichev O.G. Subsurface runoff in Middle Ob' watershed. Melio-raciya i vodnoe hozyajstvo, 2010, no 1, pp. 36-39. In Rus.
8. Shiklomanov A.I., Lammers R.B., Lettenmaier D.P. Hydrological Changes: Historical Analysis, Contemporary Status, and Future
Projections. Environmental Changes in Siberia: Regional Changes and their Global Consequences. Eds. P.Ya. Groisman, G. Gut-man. Dordrecht, Springer, 2013. Ch. 4, pp. 111-154.
9. Kudelin B.I. Printsipy regionalnoy otsenki estestvennykh resur-sov podzemnykh vod [Principles of regional assessment of natural resources of groundwater]. Moscow, MGU Press, 1960. 343 p.
10. Kuskovsky V.S. Gidrogeologicheskie usloviya formirovaniya pod-zemnogo stoka rek Gornogo Altaya. Avtoreferat Dis. Kand. nauk [Hydro-geological conditions of formation of groundwater flow of Gorny Altai rivers. Cand. Diss. Abstract]. Tomsk, 1966. 23 p.
11. Popov O.V. Podzemnoe pitanie rek [Groundwater nourishment of rivers]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1968. 291 p.
12. Hendriks M.R. Introduction to Physical Hydrology. Oxford; New York, Oxford University Press, 2010. 331 p.
13. Grinevskiy S.O. Otsenka infiltratsionnogo pitaniya i resursov podzemnykh vod na osnove gidrogeologicheskikh modeley. Avtore-ferat Dis. Dokt. nauk [Assessment of infiltration recharge and groundwater resources, based on the hydrogeological models. Dr. Diss. Abstract]. Moscow, 2012. 44 p.
14. Borevskiy B.V., Markov M.L. Is river low-water flow a measure contributing to underground water or common underground water inflow? Prospect and protection of mineral resources, 2014, no. 5, pp. 10-16. In Rus.
15. Miller M.P., Johnson H.M., Susong D.D., Wolock D.M. A new approach for continuous estimation of baseflow using discrete water quality data: Method description and comparison with baseflow estimates from two existing approaches. Journal of Hydrology, 2015, vol. 522, pp. 203-210.
16. Mei Y., Anagnostou E.N. A hydrograph separation method based on information from rainfall and runoff records. Journal of Hydrology, 2015, vol. 523, pp. 636-649.
17. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I. A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, vol. 10 no. 3, pp. 282-290.
18. Kritskiy S.N., Menkel M.F. Gidrologicheskie osnovy upravleniya vodokhozyaystvennymi sistemami [Hydrological foundations of water system management]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 271 p.
19. Nauchno-prikladnoy spravochnikpo klimatu SSSR. Ser. 3. Mnogo-letnie dannye. Ch. 1-6. Vyp. 20. Tomskaya, Novosibirskaya, Keme-rovskaya oblasti, Altaysky kray [Scientific and Applied Climate Handbook. Series 3. Long-term data. P. 1-6. Vol. 20. Tomsk, Novosibirsk, Kemerovo Regions, Altai Territory]. St-Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 1993. 718 p.
20. Nauchno-prikladnoy spravochnik po klimatu SSSR. Ser. 3. Mnogo-letnie dannye. Ch. 1-6. Vyp. 17. Tyumenskay i Omskaya oblasti [Scientific and Applied USSR Climate Reference Book. Series. 3. Long-term data. P. 1-6. Vol. 17. Tyumen and Omsk regions]. St-Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 1998. 702 p.
21. Stroitelnaya klimatologiya. SNiP 23-01-99* [Building Climatology. SNiP 23-01-99*]. Moscow, Gosstroy GUP CPP, 2003. 162 p.
22. Groisman P.Ya., Blyakharchuk T.A., Chernokulsky A.V. Climate changes in Siberia. Regional Environmental Changes in Siberia and Their Global Consequences. Eds. P.Ya. Groisman, G. Gut-man. Dordrecht, Springer, 2013. Ch. 3, pp. 57-110.
23. Gajewski K. Holocene paleoclimate data from the Arctic: testing models of global climate change. Global and Planetary Change, 2015, vol. 128, pp. 14-23.
24. Moller P., Alexanderson H., Funder S., Hjort C. The Taimyr Peninsula and the Severnaya Zemlya archipelago, Arctic Russia: a synthesis of glacial history and palaeo-environmental change during the Last Glacial cycle (MIS 5ee2). Quaternary Science Reviews, 2015, vol. 107, pp. 149-181.
25. Savichev O.G., Reshetko M.V., Moiseeva Yu.A. The nonlinear effects based on peat chronology data in paleoclimatic reconstructions. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2016, vol. 43, pp. 1-5.
Received: 17 January 2017.
Information about the authors
Yulia A. Moiseeva, engineer, National Research Tomsk Polytechnic University. Oleg G. Savichev, Dr. Sc., professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
