ЛАБОРАТОРИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ:Развитие методов оценки региональных изменений режима и Развитие методов оценки региональных изменений режима и ресурсов поверхностных и подземных вод в условиях ресурсов поверхностных и подземных вод в условиях нестационарного климата и особенности формирования нестационарного климата и особенности формирования гидрохимического режима подземных вод в изменяющихся гидрохимического режима подземных вод в изменяющихся гидрогеологических условиях:гидрогеологических условиях:

1. Современные водные ресурсы и водный режим рек 1. Современные водные ресурсы и водный режим рек Европейской части России в условиях меняющегося климата;Европейской части России в условиях меняющегося климата;2. Численные методы оценки качества грунтовых вод на основе . Численные методы оценки качества грунтовых вод на основе математического анализа процессов миграции растворенных математического анализа процессов миграции растворенных веществ в насыщено-ненасыщенной зоне;веществ в насыщено-ненасыщенной зоне;3. Оценка экологических последствий антропогенных Оценка экологических последствий антропогенных воздействий на месторождения подземных вод; воздействий на месторождения подземных вод; 4. Изучение последствий пожаров на болотах и восстановление 4. Изучение последствий пожаров на болотах и восстановление болот после пожаров.болот после пожаров.

В составе лаборатории 15 сотрудников:2 доктора наук5 кандидатов наук - старших научных сотрудников, 1 кандидат наук - научный сотрудник,3 младших научных сотрудника, 1 ведущий инженер, 2 инженера, 1 стажер-исследователь.

Средний возраст сотрудников – ниже 40 лет

Численные методы оценки качества грунтовых вод на основе Численные методы оценки качества грунтовых вод на основе математического анализа процессов миграции растворенных математического анализа процессов миграции растворенных

веществ в насыщено-ненасыщенной зоневеществ в насыщено-ненасыщенной зоне

Основные результаты:-разработан математический аппарат для решения задач переноса влаги в сильно неоднородных безнапорных горизонтах;- построена математическая модель совместной миграции влаги и растворенного в ней загрязняющего вещества во влажном грунте с учетом гистерезиса процессов сорбции и десорбции;- реализовано численное решение ряда задач, характеризующих особенности распределения загрязнений в почво-грунтах;- проанализировано влияние параметров среды и режима поступления влаги и загрязняющего вещества на процессы миграции в насыщенно-ненасыщенных средах.

Постановка задачи о распространении загрязнений в пористой среде от поверхностного источника

Насыщенно-ненасыщенное течение воды в грунте описывается уравнениями Ричардса, в которых искомыми функциями

являются водонасыщенность θ и давление p

gy

pyxpK

yx

pyxpK

xtm

,,,,

yxp ,,m – эффективная пористость, K – влагопроницаемость,

Для описания миграции загрязнений в грунте использовалось стандартное уравнение массопереноса относительно концентрации

растворенного вещества С

y

c

yx

c

xy

cq

x

cq

t

cm diffdiffyx

qx, qy – компоненты потока влаги, vdiff - коэффициент дисперсии

Распространение загрязнений при величине инфильтрационного питания 0.0001 и 0.0003 м/сут при расположении источника загрязнения

вблизи верхней границы

Распространение загрязнений при величине инфильтрационного питания 0.0001 и 0.0003 м/сут при расположении источника

загрязнения вблизи правой границы

Распространение загрязнений при величине инфильтрационного питания 0.0001 м/сут при расположении источника загрязнения

посередине области потока и К=1 м/сут

Фильтрация через неоднородную дамбу (Кs=0.1 м/сут)Линии равного водонасыщения. Жирная линия – верхняя граница

насыщенной зоны

Фильтрация через неоднородную дамбу (Кs=0.02 м/сут)Линии равного водонасыщения. Жирная линия – верхняя граница зоны

Оценка экологических последствий антропогенных воздействий на Оценка экологических последствий антропогенных воздействий на месторождения подземных водместорождения подземных вод

УЯЗВИМОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИSensitivity groundwater

Особенности водоотбора в Московском мегаполисе

Области взаимосвязи эксплуатируемых водоносных горизонтов с поверхностными водами

S CaCO3

минерализация, моль/кг (10–3 )

2003 г

0

-0.1

-0.2

-0.3

0.1

0.2

Динамика изменения дефицитов насыщения в системе ВОДА-ПОРОДА

(по результатам многолетнего мониторинга)

1993 г

6 8 10 12

График недо-насыщенности (SCaCO3) подземных вод к карбонатным породам на водосборах:Валдайское Поозерье (Усадье – 1, Таежный – 3), Лосиный остров (2), р. Медвенка (4), Иваньковское водохранилище (5), р. Малая Истра (6), р. Протва (7)

Химический элемент

Миграционные формы

Al+3 AlOH+2,Al(OH)2+,Al(OH)3aq,AlHSO4+2,AlSO4+2, AlSO4+,Al(SO4)2-

Sr+2 SrCO3aq,SrCl+,SrNO3+,Sr(NO3)2aq,SrOH+

Pb+2 PbHCO3+,PbCO3 aq, Pb(CO3)2-2, PbCl+, PbCl2aq, PbCl3-, PbCl4-2, PbNO3+,PbOH+,Pb(OH)2aq, Pb(OH)3-, Pb(OH)4-2,PbSO4qa, Pb(SO4)2-2/

Ni+2 NiCl+,NiCl2aq,NiHCO3+,NiCO3aq,Ni(CO3)2-2,NiOH+,Ni(OH)2aq, Ni (OH)3-, NiSO4aq, Ni(SO4)2-2

Cu+2 CuHCO3+,CuCO3aq,Cu(CO3)22,CuCl+,CuCl2aq,CuCl3-,CuCl4-2,CuOH+,Cu(OH)2aq, Cu(OH)3-, Cu(OH)4-2, Cu2(OH)2+2, CuSO4aq

Mn+2 Mn+2,MnCl2aq, MnCl3-, Mn(NO3)2aq,MnOH+,Mn(OH)3-,MnSO4aq,MnHCO3+,MnCO3aq

Cd+2 CdCl+,CdCl2aq,CdCl3-,Cd(CO3)3-4,CdOH+,Cd(OH)2aq, Cd(OH)4-2, Cd2OH+3, CdOHClaq,CdNO3+,CdSO4aq,CdHCO3+,CdCO3aq, Cd(SO4)2-2

Миграционные формы микроэлементов в составе подземных вод под влиянием антропогенных факторов

Изучение последствий пожаров на болотах Изучение последствий пожаров на болотах и их восстановление после пожарови их восстановление после пожаров

Сотрудники лаборатории совместно с Институтами ГЕОХИ и Микробилогии РАН провели исследования на нескольких торфяных болотах,

подвергшихся пожарам в Тверской, Московской и Рязанской областях. Основные задачи исследований :1. Изменение физико-химических свойств торфяников после пожаров 2. Изменение химического состава болотных вод после пожаров3. Роль метанотрофных бактерий в эмиссии метана с болот

Горящий торфяник. Сентябрь 2014

Изменение химического состава торфов и болотных вод после пожара (2010 г.)

Выводы:- сухой остаток увеличился в 5-10 раз и зольность в 6-9 раз;- в горелых торфах значительно повысилась величина рН.- содержание Fe +3 в верхней части разреза увеличилось в 30 раз, - Fe +2 - в 8 раз.- содержание SO4 увеличилось в горелых торфах в верхней части

разреза в 33 раза, а вниз по разрезу – в 2-10 раз.- изменились водно-физические свойства горелых торфов: Кф

пиролизных торфов в вертикальном направлении повысился примерно на порядок с 0.8 до 7.0 см/мин – после пожара.

ПОСЛЕ ПОЖАРОВ: - выгорает органическое вещество,

-увеличивается концентрация основных химических элементов,

- общая минерализация возростает в 6-7 раз,

- значение рН повышается 7.1 – 7.4,

- вода становится более жесткой (жесткость возросла в 8-10 раз),

- содержание общего железа повышается в 2 раза, фосфора – в 2 раза,

- сульфатов - в 10-12 раз. -

к десяти граммам естественного торфа добавлено по 2 тыс. ррm метана. За двое суток контакта с торфом метан потреблен полностью бактериями. Ход поглощения метана показан на графике.

Динамика поглощения метана метанотрофными бактериями выше и ниже УБВ (негорелое болото Шумново)

В Институте Микробиологии проведён эксперимент:

Аналогичные опыты с горелыми образцами торфа с болота Галицкий Мох и Радовицкий Мох дали отрицательные результаты, т.е. поглощения метана при его контакте с горелыми торфами не происходило, что говорит о гибели метанотрофных бактерий в торфе при пожаре.

НА ОСНОВАНИИ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И СОБСТВЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ УСТАНОВЛЕНО:

основная причина возникновения пожаров на болотах – человеческий фактор среди других причин: – снижение УГВ на глубину более 1.5 м;– образование пожароопасного слоя торфа близ поверхности с влажностью менее 40%;– в буртах и штабелях торф обычно самовозгорается, если железа содержится более 6 мг-экв/100г сухого торфа, при влажности менее 40-45%. Таким образом, контроль влажности торфов - один из основных элементов мониторинга по противопожарной безопасности болотных массивов. Восстановление растительности после пожаров.

На следующий год после пожара бурно растет : – на возвышенных участках кипрей, крапива, мать-мачеха, осоки, репейник

обыкновенный, полынь; – в понижениях рельефа маршанция (печеночник), подморенник, тростник, рогоз,

золотарник канадский, купырь лесной, репешок волосистый, будра плющевидная, вейник;

- на второй год поросль березы и осины достигает 2-х метров.

Болото Галицкий мох через 5лет после пожара

Оценка водных ресурсов ЕЧР и анализ условий их формирования выполнены для 340 репрезентативных водосборов по гидрологическим данным с 1935 по 2010 гг.

Расчеты проводились за весь период наблюдений, 1945–1977 и с 1978 по 2010 гг. Периоды в 30 и более лет соответствуют временным интервалам с

репрезентативными изменениями в гидрометеорологических рядах.

Исследования охватывают не только многолетние периоды, но и внутригодовые колебания гидрологических характеристик. Наименьший масштаб осреднения по

времени – месяц.

Для выделенных интервалов наблюдений рассчитаны средние, минимальные и максимальные значения, среднеквадратические отклонения, а также

статистические критерии Спирмена, Фишера и Стьюдента

В качестве характеристики подземной составляющей речного стока принят среднемесячный меженный сток - расходы воды за маловодные месяцы с

преимущественным питанием подземными водами.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

СОВРЕМЕННЫЕ ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК СОВРЕМЕННЫЕ ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ

КЛИМАТАКЛИМАТА

Исследуемые речные бассейны33

Определение подземной составляющей стока

Периоды для расчета меженного стока рек для различных регионов ЕТР

Бассейн Период

Северные реки ЕТР Ноябрь - март

Верхняя Волга, Терек Декабрь - февраль

Ока, Урал Декабрь - март

Кама Ноябрь - март

Нижняя Волга, Дон Декабрь-февраль, июль-сентябрь

Кума, Кубань Декабрь-январь, август - сентябрь

Гидрограф р.Мезень за гидрологический год

Изменение глубины промерзания и температуры почвы

Река Мезень (Койнас)

Река Сосна (бассейн Дона) (Елец)

Река Пьяна (бассейн Суры) (Сергач)

1515

Гидрограф р.Северная Двина- створ Усть-Пинега за 1981-

1982 гг. и

2005-2006 гг. с выделением подземной составляющей

(по методу Куделина)

Оценка изменения годового и меженного

стока рек

44

Анализ изменения годового стока и его внутригодового распределения

Изменения годового стока (3) и среднего меженного летнего

(VII−IX) (1), зимнего (XII−II) (2) стока

(р. Дон – г. Задонск)

Изменения годового стока и среднего меженного зимнего стока (XI−III) (р. Печора – Усть-Цильма)

55

R = 0.9

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600 800 1000

Q подз, м3/с

Q м

ин

. м

ес

. З

ИМ

, м

3 /с

R = 0.88

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000

Q подз, м3/с

Q м

ин

. м

ес

. Л

ЕТ

, м

3 /с

R = 0.71

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200

Q подз, м3/с

Q м

ин

. м

ес

. З

ИМ

, м

3 /с

р. Ока – Муром:

р. Кама – Гайны:

R = 0.75

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200

Q подз, м3/с

Q м

ин

. м

ес

. Л

ЕТ

, м

3 /с

Интенсивный рост минимальных месячных расходов воды, наблюдающийся с 1970х гг., обусловлен увеличением именно базисного,

подземного питания, а не учащением числа случаев прохождения паводков в минимальный по водности месяц года.

Зависимость подземной составляющей стока (по Куделину) от

минимального месячного расхода воды зимней и летней межени 1111

Сопоставление результатов расчета подземной составляющей методом расчленения гидрографа (по Куделину) с ее оценкой по меженному стоку показало, что

коэффициент корреляции между этими величинами составляет от 0,6-0,9. При этом среднее значение меженного расхода воды практически совпадает со средним значением подземной составляющей стока за те же периоды. Систематическое

отклонение для бассейна Оки, притоков Волги и верхнего Дона составляет 5-10 %, для бассейна Камы - 15-20 %. Следовательно, оценка средней величины подземной составляющей по меженному стоку за последние десятилетия вполне допустима.

y = 1.03x - 13.062R = 0.79

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

Подземная составляющая (по Куделину)

меж

ен

ны

й р

асхо

д

р.Унжа - Кологрив (11 500 км2)

0

50

100

150

200

250

300

350

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

ра

сх

од

во

ды

, м

^3

/c

Qподз

Qмеж

Линейный(Qподз)Линейный(Qмеж)

р. Хопер - х. Бесплемяновский, F=44 900 км2

0

20

40

60

80

100

120

140

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Расход в

оды

, м3/с

Q меж

Q подземн

y = 1,07x + 6,65

R2 = 0,83

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Подземная ссоставляющая (по Куделину)

Сред

ний м

еж

енны

й р

асход

Сопоставление результатов расчета подземной составляющей стока методом расчленения гидрографа (по Куделину) с ее оценкой по меженному расходу воду 99

Увеличение среднего значения составляет 10-25 %, 50% для р.Унжа – с.Макарьев

Характерно чередование циклов относительно повышенной и относительно пониженной водности подземной составляющей стока

Увеличение подземной составляющей стока рек верховьев Волги

в период 1975-2005 гг. по сравнению с периодом 1945-1974 гг.1010

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ра

сх

од

во

ды

, м

3/с

(Х

оп

ер

, М

ед

ве

ди

ца

)

Ра

сх

од

во

ды

, м

3/с

(Д

он

)

р. Дон - ст. Казанская F=102000 км2

р. Хопер - х. Бесплемяновский F=44900 км2

р. Медведица - ст. Арчединская F=33700 км2

Синхронность колебаний подземной составляющей стока рек1212

y = 0,004x - 7,654

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1920 1940 1960 1980 2000 2020Коэф

фиц

иент

ест

еств

енно

й за

регу

лиро

ванн

ости

y = 0,003x - 6,271

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1920 1940 1960 1980 2000 2020Коэф

фиц

иент

ест

еств

енно

й за

регу

лиро

ванн

ости

А) р. Дон – г. Задонск Б) р. Хопер – г. Поворино

А

Б

1020

30

30

20

Изменение коэффициента естественной зарегулированности стока88

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА И ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

1. УМЕНЬШЕНИЕ ГЛУБИНЫ ПРОМЕРЗАНИЯ ПОРОД ЗОНЫ АЭРАЦИИ НА ВОДОСБОРАХ ВАЛДАЙСКОГО СТАЦИОНАРА ГГИ

2. ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ЕСТЕСТВЕННЫХ

УСЛОВИЯХ

(На ВОДОСБОРЕ р. МЕДВЕНКА И ВБС КАМЕННАЯ СТЕПЬ)

y = -0,0236x + 6,9R = 0,61

2

3

4

5

6

7

8

9

1893

1899

1905

1911

1917

1923

1929

1935

1941

1947

1953

1959

1965

1971

1977

1983

1989

1995

2001

2007

Глуб

ина,

м

Н абс. 186,46 м

Изменение коэффициента естественной зарегулированности стока

(р. Хопер – г. Балашов)

3. Сокращение стока за половодье, увеличение числа и «глубины» оттепелей, сокращение длительности холодного периода приводит

к росту естественной зарегулированности стока φ.

Толщина льда 70 см

0

20

40

60

80

100

малые реки большие реки

%Толщина льда 60 см

0

20

40

60

80

100

малые реки большие реки

%Толщина льда 50 см

0

20

40

60

80

100

малые реки большие реки

%Толщина льда 40 см

0

20

40

60

80

100

малые реки большие реки

4. Доля вклада в минимальный 30-ти суточный зимний 4. Доля вклада в минимальный 30-ти суточный зимний сток рек длиной менее 25 км и участков рек, удаленных от сток рек длиной менее 25 км и участков рек, удаленных от истока на расстояние более 25 км с толщиной льда в марте истока на расстояние более 25 км с толщиной льда в марте

(по данным ГГИ, Марков М.Л. ) (по данным ГГИ, Марков М.Л. )

Средний за период 1976-2010 гг. годовой сток

Изменение годового стока в 1976-2010 гг. по сравнению с

1940-1975 гг. (%)Средний за период 1976-2010 гг.

меженный стокИзменение меженного стока в 1976-2010 гг. по сравнению с

1940-1975 гг.

Естественные водные ресурсы для европейской территории России1616

Средние ресурсы за годна единицу площади на 1 человека

Средние ресурсы за меженный периодна единицу площади на 1 человека

Минимальные месячные ресурсына 1 человекана единицу площади

Удельная водообеспеченность1717

Нагрузка на естественные ресурсы меженного (слева) и минимального месячного стока (справа)1818

Основные результаты

Для северной части ЕТР, несмотря на наиболее сильный рост зимних температур воздуха и увеличение осадков, явной положительной тенденции в объемах стока и максимальных расходах не проявляется

Основная особенность современных изменений водного режима рек – увеличение меженного стока, в среднем на 35-40 %. Для большинства рассмотренных рек отмечаются значимые (при уровне значимости 95%) положительные тренды увеличения стока зимней и летне-осенней межени. Наиболее выраженные изменения характеристик водного режима рек прослеживаются в бассейне Дона

Для большинства рек ЕТР в 1978-2010-х гг. произошли изменения в генезисе их питания. Это привело к значительному увеличению естественной зарегулированности стока. На современном этапе происходит значительная перестройка всех фаз водного режима.

1919

Атлас возобновляемых водных ресурсов

Европейской части РоссииАвторы:

Р.Г. Джамалов, Н.Л. Фролова, Т.И. Сафронова,

Е.П. Рец, Г.Н. Кричевец, А.А. Телегина, Е.А. Телегина,

М.Б. Киреева, М.И. Игонина, А.А. Бугров, В.Ю. Григорьев,

М.О. Фатхи

В РЕЗУЛЬТАТЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СТОКА И ВОДНЫХ РЕСУРСОВ РЕСУРСОВ СОСТАВЛЕН

И ПОДГОТОВЛЕН К ПЕЧАТИ

55

Спасибо за внимание!

масштаб 1:10 000 000 

СОСТАВЛЕНА ИНСТИТУТОМ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ РАН ПО ЗАДАНИЮ ЮНЕСКО

 Главные редакторы

Р.Г. Джамалов, И.С. Зекцер  

Редколлегия: A.Aureli (Italy), H.Bitesnik (Argentina), N.da Franca (Brazil), I.V. Diordiev (Russia), L.G. Everett (USA), V. Gilbrich (UNESCO), J. Jacobson (Australia), R.A. Kanivetsky (USA), M.G. Khublaryan (Russia), V.A. Kiryukhin (Russia), J. Margat (France), N.A. Marinov (Russia), A.Menta (Brazil), L.P. Novoselova (Russia), V. Ramnarong (Thailand), T.I. Safronova (Russia), B.B.S. Sinhal (India), S. Soekiban (Indonesia), V. Struckmeier

(Germany), A Valdes (Cuba), V.A. Vsevolozhsky (Russia), S. Wongsawat (Thailand)

 Авторский коллектив:

Р.Г. Джамалов, И.В. Диордиев, И.С. Зекцер, В.А. Иванов, Н.А. Лебедева, В.И. Никонова, Ю.Л. Объедков, Т.И. Сафронова, Т.Н. Сорокина

КАРТА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ПОДЗЕМНОГО СТОКА МИРА

22

Карта гидрогеологических условий и подземного стока (Европейская территория)

33

Карта гидрогеологических условий и подземного стока (бассейн Волги)

44