|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Потоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (РФФИ)НИР
Heavy metals, metalloids and biogens fluxes into Arctic ocean by largest Siberian rivers
- Руководитель НИР: Чалов С.Р.
- Участники НИР: Ефимов В.А., Ефимова Л.Е., Иванов В.А., Козачук М.Н., Лычагин М.Ю., Магрицкий Д.В., Малыгин Е.В., Морейдо В.М., Прокопьева К.Н., Савенко В.С., Тришин А.Ю., Цыпленков А.С., Школьный Д.И.
- Подразделение: Кафедра гидрологии суши
- Срок исполнения: 19 июня 2018 г. - 28 мая 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 18-05-60219
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Изменения природной среды, общества и проблемы природопользования
- ПН России: Рациональное природопользование
-
Рубрики ГРНТИ:
- 38.33.17 Геохимия природных процессов
- 37.27.19 Сток
-
Ключевые слова:
взвешенные наносы, лена, сток, влекомые наносы, обь, колыма, енисей, сток растворенных веществ, аквальные ландшафты
lena, kolyma, bed load, ob, dissolved load, aquatic landscapes, suspended load, enisey, fluxes -
Описание:
Нисходящий литодинамический поток материкового вещества с суши в океан формирует геоморфологические, геофизические, геохимические и гидробиологические особенности аквальных ландшафтов, а также оказывает влияние на состояние морей, являющихся приемником осадочного материала. В проблеме воздействия речного стока на эколого-токсикологическое состояние морских акваторий вообще и водных экосистем в частности наиболее актуальным вопросом является количественная оценка потоков взвешенных и, особенно, влекомых наносов, а также их соотнесение со стоком растворенных веществ. Реки водосборов арктических морей, особенно российского сектора, менее всего изучены в отношении количественной характеристики форм нахождения тяжелых металлов, металлоидов и биогенов и их поступления к устьевой зоне. В то же время они оказывают максимальное влияние на состояние экосистем приемных водоемов по сравнению с другими регионами Мира. В результате этого изучение потоков, концентраций, форм переноса и особенностей трансформации потоков тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупных рек Арктики является комплексной междисциплинарной научной задачей, направленной на выработку оптимальных с точки зрения природоохраны и здоровья населения хозяйственных решений. Для ее выполнения в нижнем течении крупнейших сибирских рек российской Арктики (Обь, Енисей, Лена и Колыма) предполагается проведение регулярных гидролого-геохимических работ на опорных замыкающих створах в разные фазы водного режима и их сопоставление с данными многолетнего мониторинга стока взвешенных наносов на постах Росгидромета, что позволит охарактеризовать поступление наносов и химических веществ с основной (более 60 %) частью водного стока рек российской Арктики. Будет изучено годовое и сезонное распределение до 70 химических элементов и веществ, переносимых крупнейшими реками российской Арктики в растворенном состоянии, в составе взвешенных и влекомых наносов. На основе методов эрозионного моделирования и автоматизированной оценки объемов русловых деформаций в бассейновом масштабе будут сделаны выводы о происхождении потоков химических веществ и наносов, даны оценки их аккумуляции в устьевой зоне.
-
Abstract:
The descending lithodynamic flow of continental matter from land to the ocean forms the geomorphological, geophysical, geochemical and hydrobiological features of the aquatic landscapes, and also impact marine ecosystems which receive the sedimentary material. Study of river runoff impacts on the ecological and toxicological state of marine areas and aquatic ecosystems is the most challenging in the field of quantitative assessment of the fluxes of suspended and, especially, bed load, as well as their correlation with the flow of dissolved substances. The rivers of the Arctic seas catchment, especially the Russian sector, are least studied with respect to the quantitative characteristics of the forms of the presence of heavy metals, metalloids and nutrients and their flow to the estuarine zone. At the same time, they exert the maximum influence on the state of ecosystems of receiving water bodies in comparison with other regions of the World. As a result, the study of flows, concentrations, modes and features of transformation of heavy metals, metalloids and nutrients in the major rivers of Arctic is a complex interdisciplinary scientific objective aimed at developing optimal from the standpoint of environmental and health economic decisions population. To achieve this goal, in the lower reaches of the largest Siberian rivers in the Russian Arctic (Ob, Yenisey, Lena and the Kolyma) regular hydrological and geochemical observations during different water regime periods and their comparison with the data of long-term monitoring of suspended sediment by Roshydromet will be done, which will allow assessment of sediment and chemicals fluxes from the main (more than 60%) part of the water flow of the rivers of the Russian Arctic. Annual and seasonal distribution of up to 70 % of chemical elements and substances carried by major rivers of the Russian Arctic in the dissolved state and suspended and bed load modes will be studied. Based on the modeling techniques and erosive automated estimation of channel deformation volume in basin scale drawing conclusions about the origin of flow of chemicals and sediment ratings given their accumulation in the mouth area
-
Планируемые результаты:
1. Сбор архивных и фондовых данных о проведенных ранее научно-исследовательских работах, посвященных исследованию, обобщение данных и создание сводной БД об измерениях значениях мутности воды в пределах устьевых областей, в том числе получение данных о срочных значениях мутности воды по ближайшим гидрометрических постам за весь период наблюдений (дата-мутность); 2. Подготовка ретроспективной композиции мультиспектральных разномасштабных снимков на период с 1980-хгг. (современные и архивные (Landsat, MODIS, ASTER, SPOT) для разработки моделей пространственного распределения мутности в устьевых областях Оби, Енисея, Лены, Колымы и подбор снимков за 60-е и 70-е годы (Keyhole 3, 4, 7, 9) для максимально возможного периода анализа русловых деформаций в условиях циклов изменения водности; 3. Обоснование, выбор и разбивка опорных замыкающих створов на рр. Обь, Енисей, Лена и Колыма, проведение первых серий полевых работ в разные фазы водного режима – спад половодья, высокая межень, низкая межень (итого около 288 взвешенных наносов и растворенных веществ, 80 образцов донных отложений). Камеральная и лабораторная обработка отобранных образцов, предварительный анализ; 4. Сбор и первичный анализ данных по бассейнам исследуемых рек - факторам временной изменчивости стока и химического состава речных вод и наносов, таких как температура воздуха и осадки, температура и мощность сезонно-талого слоя, эксплуатация водохранилищ и деятельность горнодобывающих предприятий, русловых карьеров и др; 5. Выбор постов Росгидромета, ведущих наблюдения за мутностью и качеством воды, в нижнем течении, комплектация по ним баз данных с мутностью и расходами воды, расходами взвешенных наносов, составом наносов и отложений; анализ качества данных стационарных наблюдений. Расчет характеристик стока наносов (по состоянию на 2017 г.) в замыкающих створах Оби, Енисея, Лены и Колымы;
-
Научный задел:
Наработки коллектива по тематике проекта связаны с общетеоретическими и методическими вопросами изучения компонент речного стока, разработанными научными школами кафедры гидрологии суши, кафедры геохимии ландшафтов и географии почв и лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ имени М.В. Ломоносова. Теоретическую основу будущего исследования составят оригинальные представления о гидроэкологической безопасности территории, обоснованные в работах (Алексеевский 2004; Алексеевский и др. 2000; Алексеевский, Фролова 2000, 2012), концепция гидрологических ограничений (Алексеевский, Фролова, Христофоров 2011; Алексеевский, Фролова 2012). При анализе генетических составляющих стока наносов будут использованы закономерности, выявленные участниками проекта при определении доли русловых и транзитных частиц в стоке зональных рек (Алексеевский 1998), идеи исследования результирующей баланса наносов и химических веществ для определения причин изменения содержания в воде минеральных частиц (Алексеевский 2012; Алексеевский, Чалов С.Р. 2009). Важную роль в обосновании задач проекта играют представления о ландшафтно-геохимической каскадной системе (Глазовская 1988) и геохимических барьерах (Перельман, Касимов 1990). Выполнен большой объем работ, посвященных бассейновым исследованиям состава материкового стока речных наносов и его связи с гидроклиматическими особенностями территорий (Савенко и др. 2004), уровнем техногенной нагрузки (Касимов 2013, Чалов и др. 2015) и интегрально - составом верхней части континентальной коры (Савенко 2006). В качестве методической основы проекта будет использована концепция интегральной оценки потоков воды и химических веществ, основанная на интегрировании разномасштабных инструментов мониторинга и имитационного моделирования бассейнового и руслового уровня (Чалов и др., 2016).
-
Основные результаты:
1. Геоинформационные базы данных ландшафтно-гидрологических характеристик и параметров землепользования водосборов рек Оби, Енисея, Лены и Колымы, база данных водного стока и параметров стока наносов за период инструментальных наблюдений на гидрометрических постах, ретроспективная композиция мультиспектральных разномасштабных снимков на период с 1980-х гг. на устьевые области Оби, Енисея, Лены и Колымы 2. Новые методические приемы расчета характеристик потоков наносов и химических веществ во взвешенной и влекомой формах для устьевых областей крупных рек с определением пространственно-временных погрешностей определения за счет положения точек и времени пробоотбора. Методы определения изменения потоков вещества для устьевых створов, не охваченных контактными измерениями, с использованием сочетания натурных данных по опорным постам, данных спутниковой съемки, с получением комплекса эмпирических моделей перехода от морфометрических и гидрографических параметров водосборов, рек, их изменений, гидравлических параметров речных потоков к характеристикам стока наносов 3. Оценки потоков взвешенных наносов на ключевых гидрологических постах в бассейнах и на замыкающих створах рр. Оби, Енисея, Лены и Колымы. Выводы о причинах и закономерностях трансформации стока взвешенных наносов по длине главных рек и в их дельтах; готовые расчетные схемы (с эмпирическими зависимостями, переходными коэффициентами, картосхемами и т.п.) пересчета данных гидрологических наблюдений на замыкающих створах рр. Оби, Енисея, Лены и Колымы в характеристики стока наносов в их устьях и в арктические моря, количественная оценка поступления биологически активных форм элементов в Северный Ледовитый океан с речным стоком твердых веществ 4. Значения годовых и сезонных потоков тяжелых металлов, металлоидов и биогенов в растворенном состоянии в составе взвешенных и влекомых наносов на опорных створах рр. Оби, Енисея, Лены и Колымы, оценки геохимической дифференциации (распознавания) массивов данных концентраций химических веществ, результаты оценки статистических параметров выборок состава элементов речного стока, абсолютные, нормированные и относительные элементограммы, результаты расчетов коэффициентов концентрации и рассеяния, экологической опасности, полиэлементной антропогенной нагрузки, интегральных показателей загрязнения 5. Характеристика распределения элементов в ряду «вода-взвешенные наносы-влекомые наносы-донные отложения» и массообмена между ними в разные сезоны, оценка региональной (бассейновой) роли гранулометрических фракций в формировании химического состава стока наносов, характеристика внутренней неоднородности (в пределах поперечного сечения) химического и гранулометрического состава руслового потока крупных рек 6. Эрозионная модель водосборов рек Оби, Енисея, Лены и Колымы, верифицированная для оценки развития эрозии и валового поступления твердого материала в речную сеть с водосбора и сопоставленная с сетевыми наблюдениями за мутностью воды. Бассейновые оценки вклада эрозии почв и русловых деформаций в баланс составляющих стока наносов разной крупности, тяжелых металлов и металлоидов, биогенных веществ 7. Ретроспективная модель баланса наносов в устьевых областях рек, карты распределения мутности воды и состава донных отложений для разных синоптических ситуаций и их анализ для выявления характерных систем распределения баланса химических веществ за период с 1980 по настоящее время. Оценки суммарной роли устьевой области в изменении потока наносов.
- Добавил в систему: Чалов Сергей Романович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 19 июня 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Потоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (1 подэтап 1 этапа) |
| Результаты этапа: | ||
| 2 | 1 января 2019 г.-28 мая 2019 г. | Потоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (2 подэтап 1 этапа) |
| Результаты этапа: | ||
| 3 | 2 июля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Потоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (1 подэтап 2 этапа) |
| Результаты этапа: | ||
| 4 | 1 января 2020 г.-28 мая 2020 г. | отоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (2 подэтап 2 этапа) |
| Результаты этапа: | ||
| 5 | 15 сентября 2020 г.-31 декабря 2020 г. | отоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (1 подэтап 3 этапа) |
| Результаты этапа: В рамках проекта осуществлены 13 полевых кампаний на опорных створах гидролого-геохимического мониторинга (5 на р. Обь, 3 на р. Лена, 3 на р. Колыма и 2 на р. Енисей), что позволяет на новом информационно-методическом уровне охарактеризовать химический сток крупнейших сибирских рек в Арктику. Важными методическими результатами проекта являются технологии определения потоков наносов крупных рек, основанные на комбинированном использовании доплеровских измерителей ADCP и авторских методов пробоотбора, алгоритм оценки расхода взвешенных наносов по связи мутности воды с рассеянием сигнала ADCP, методика недеструктивного определения трансформации состава поглощенного комплекса речных наносов, алгоритм полуавтоматического расчета вклада русловых деформаций в сток наносов (Идентификации плановых переформирований, ИПП). Выявлены характерные особенности механического состава взвешенных наносов замыкающих створов сибирских рек, являющегося основным фактором химической дифференциации наносов. Всем рекам характерна двумодальность систем распределения крупности взвеси с максимальными пиками концентраций в области глинистых и илистых фракций. Выявлена максимальная значимость фракций 0,005-0,01 мм в концентрировании взвешенных форм микроэлементов в меженный период. Выявлены сезонные колебания содержания химических компонентов в воде рек, а также различия между ними. При характеристике химического состава выполнено 10307 элементоопределений. В рамках исследований химического состава взвешенных наносов основное внимание уделено микроэлементам - Al, V, Cr, Mn, Cd, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Mo, Sn, Sb, W, Pb, U. Выявлены типовые парагенетические ассоциации арктических рек: Ti, Al, Fe, Cs, Mn, Zr, Co, Th, Pb, La, Cr во всех реках переносятся во взвешенной форме (>0.45 мкм), S, Ca, Sr, Na, B, Mg, Mo, Se, Sb – исключительно в растворенной форме (<45 мкм). При этом соотношение между взвешенными и растворенными формами транспорта микроэлементов DS (%) (DS-коэффициент, от английского Dissolved – растворенные формы; Suspended – взвешенные), т.е. отношение содержания элемента x в составе PM > 0.45 cx (мкг/г) к его суммарной концентрации в потоке, закономерно меняется в разных реках с глубиной. На Колыме и Лене, отличающейся более крупным составом взвеси и более четкой вертикальной дифференциацией мутности воды и крупности взвеси, величина DS среди всех исследуемых элементов увеличивается ко дну; на Оби и Енисее, где существенна доля органики во взвеси и более мелкие взвеси отличаются меньшей дифференциацией по глубине, величина DS изменяется случайным образом. Средние медианные концентрации биогенных элементов в одни и те же сезоны уменьшаются в направлении с запада на восток, что обусловлено снижением скорости биологического круговорота, определяющего трансформацию соотношений соединений фосфора, а также характер и интенсивность процессов выветривания на водосборах. Систематизированы и обобщены данные по геохимии фосфора в материковом стоке растворенных и твердых веществ со специальным рассмотрением процессов трансформации в устьевых областях рек, включая крупные и малые реки Российской Арктики. Обобщение собственных и многочисленных литературных данных по поведению фосфора на геохимическом барьере река–море позволило сделать вывод о неконсервативном поведении фосфора, в большинстве случаев связанным с биологическими продукционно-деструкционными процессами. Консервативное поведение фосфора наблюдается только в сильно загрязненных устьях рек с аномально высокими концентрациями этого элемента. В устьях рек Российской Арктики поведение фосфора, как правило, соответствуют неконсервативному типу. Получены новые данные о сезонном и многолетнем режиме баланса взвешенных наносов дельт рек Лена и Колыма на основе методики дешифрирования концентраций взвешенных наносов по данным дистанционного зондирования Landsat 5, Landsat 7, Landsat 8. (50 снимков за период с 1999 по 2019 г. для дельты р. Лена и 70 снимков за период с 1999 по 2019 г. для дельты р. Колыма). Впервые системно доказан эрозионный режим транспорта взвешенных наносов. Его выраженность зависит от размера проток: в рукавах большего размера интенсивность эрозионных процессов максимальна. В результате за счет большей концентрированности стока в дельте Колымы в двух магистральных системах рукавов эрозионные процессы преобладают здесь по сравнению с дельтой Лены. Единственным аккумулятивным сектором обеих дельты являются малые пойменные протоки Туматского сектора дельты Лены, где в условиях максимального снижения уклонов и увеличения числа мелких проток происходит перехват большей части поступаемого материала. Закономерности многолетних колебаний мутности воды и расходов взвешенных наносов на замыкающих створах Колымы, Лены, Енисея и Оби рассмотрены через призму природно-антропогенных причин пространственно-временной изменчивости характеристик стока наносов на всей бассейновой территории. Выполнен анализ пространственно-временных закономерностей формирования стока взвешенных наносов в бассейнах исследуемых рек на основе обобщения рядов средних годовых и месячных расходов воды на 239 постах и расходам наносов – на 165 постах. Главным критерием отбора были продолжительность и непрерывность наблюдений, в первую очередь за 1961–2017/2018 гг. Отсутствующие значения восстанавливались, ряды удлинены, построены многочисленные хронологические графики, произведена оценка линейных трендов за период с 1988 г., проверено соответствие фоновым значениям периода 1961–1987 гг., и др. Показано, что несмотря на доминирование рек и районов с современным увеличением водного стока, огромные по площади территории показывают статистически значимое снижение стока наносов. 73,5% постов фиксируют снижение средней годовой мутности речных вод, со значительными показателями до 25–50% и больше. Сток наносов показывает положительную тенденцию у большего, в сравнении с мутностью, но никак не доминирующего числа постов. Зона с увеличением расходов наносов разрастается за счет арктических территорий, бассейнов Яны, Индигирки и Колымы, бассейна Вилюя и средней части бассейна Лены. В бассейнах Енисея и Оби доминирует снижение стока наносов рек. На основе применения алгоритмов уравнения универсальной эрозии впервые разработана модель дождевой эрозии высокого разрешения (90 м) для основных бассейнов сибирских рек (Обь, Енисей, Лена, Яна, Индигирка, Колыма). Метод идентификации плановых переформирований (ИПП) реализован для расчета 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) и Лены (ниже с. Саныяхтах, 3170 км русла). Исследована широтная зональность параметров эрозии, рассмотрен тренд по увеличению интенсивности эрозии с севера на юг. Результаты сопоставлены с существующими глобальными оценками и прежними исследованиями для территории России. Субширотное снижение эрозии и масштабных коэффициентов эрозии (отношения между бассейновой эрозией и стоком наносов) на фоне снижения коэффициента доставки наносов по мере увеличения размера рек определяет снижение вклада наносов бассейнового происхождения в сток наносов и увеличение значимости русловых переформирований. Бассейны Оби, Енисея, Лены и Колымы в современных гидроклиматических условиях представляют собой области аккумуляции, темпы которой значительно превышают объемы выноса за пределы речного бассейна. | ||
| 6 | 1 января 2021 г.-9 сентября 2021 г. | Потоки тяжелых металлов, металлоидов и биогенов крупнейших рек Сибири в арктические моря России (2 подэтап 3 этапа) |
| Результаты этапа: 1. Подготовлены гидрохимической и геохимической базы данных о изученности бассейнов, в том числе химического состава речных вод; сопоставление литературных данных с данными базы проекта ArticGRO и результатами, полученными в рамках выполнения настоящего проекта. Оценка сопоставимости методов определения гидрохимических параметров. Сравнение результатов проекта с мировыми оценками содержания микроэлементов в составе взвешенных наносов. 2. Обобщены результаты лабораторных работ по определению гранулометрического и микроэлементного состава взвешенных, влекомых и растворенных веществ, содержания в них биогенных и органических вещества, подготовка сводной базы данных мониторинговых результатов, полученных в рамках проекта. Сопоставление оценок о распределении микроэлементов между взвешенными и влекомыми наносами и растворенными формами транспорта с имеющимися литературными данными по другим регионам. Отработка методики расчета потоков химических веществ. 3. Выполнено районирование бассейнов рр. Лены и Колымы по источникам, характеру и величине антропогенного нарушения естественного режима стока наносов, комплексный анализ многолетних колебаний стока взвешенных наносов рр. Оби, Енисея, Лены и Колымы, их притоков, выделение случайных и функциональных компонентов временного ряда, их аналитическая и графическая аппроксимация; выявление случаев нарушения стационарности рядов и характерных периодов. Установление климатических и антропогенных факторов многолетней изменчивости стока наносов рек. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".