Какова она – генетическая структура воды?

Второй год подряд проводят полевые работы на Верхнеуссурийском стационаре Биолого-почвенного института ДВО РАН сотрудники лаборатории гидрологии и климатологии Тихоокеанского института географии ДВО РАН. Работы выполняются в содружестве с коллегами лаборатории лесоведения БПИ ДВО РАН, а руководит ими заведующий лабораторией гидрологии и климатологии доктор географических наук Борис Ильич ГАРЦМАН. В этом году они начались в начале июня c установки автоматических гидрометеорологических датчиков и продлились до начала октября. 

Верхнеуссурийский лесной стационар БПИ ДВО РАН. Дорога на ручей Еловый.

  

Борис Ильич любезно согласился ответить корреспонденту на несколько вопросов.

– Борис Ильич, каким образом можно исследовать генетическую структуру речного стока с помощью химических трассеров?

– Для начала немного о терминах. Под генетической структурой речного стока понимается сочетание различных генетических типов вод – склоновых, почвенных, грунтовых, определяемое спецификой химического состава вмещающих горизонтов толщи почв и грунтов, дренируемых рекой. В общем, это соотношение разных источников питания рек с учетом их динамики – сезонной и многолетней. Вопрос о тонких механизмах и формах образования речного стока в различных физико-географических условиях является ключевым для гидрологии суши, и, несмотря на длительную историю исследований, остается неразрешенным. Пока что приходится констатировать отсутствие даже общепринятых представлений и устоявшейся классификации в этой области. Интенсивное совершенствование технических средств наблюдений за последние два-три десятилетия, в сочетании с развитием математического моделирования в гидрологии, создало принципиально новые возможности исследований, как в части полноты, точности и пространственно-временного разрешения самих наблюдений, так и в части освоения этих данных в рамках развитых математических моделей. В частности, – с использованием химических трассеров в рамках так называемой EMMA-модели (End Member Mixing Analysis).

Долгое летнее маловодье – в поисках капли воды…

  

– Понимание важности исследования стока рек очевидно любому жителю Приморья, особенно в период тайфунов!

– Тайфуны – очень яркий и очевидный каждому пример, но дело не только в них. В целом гидрометеорологические процессы в нашем регионе отличаются большой интенсивностью и исключительной неустойчивостью. То есть, они более опасны и менее предсказуемы по сравнению с другими регионами России. Экспериментальные исследования на малых горно-таежных бассейнах актуальны в первую очередь из-за большого разнообразия и динамичности геосистем в пределах малых территорий. Кроме того, эти территории в настоящее время находятся в фокусе инвестиционной активности, направленной на эксплуатацию биологических ресурсов и на строительство сложных территориально-распределенных инженерных сооружений, связанных с высокой степенью технического и экологического риска. 

Насколько можно судить по публикациям, исследования по принятой нами методике раньше в России не проводились. Объекты исследований – элементарные речные водосборы 1-2 порядка, имеющие площадь до 5-10 квадратных километров с относительно однородными ландшафтными условиями. Необходимыми критериями выбора бассейнов представляются: наличие данных длительных стандартных или специальных гидрометеорологических наблюдений; наличие топографической основы крупного масштаба и цифровых моделей рельефа; разнообразие и типичность ландшафтных комплексов.

 

Установка автоматической метеостанции в бассейне ручья Еловый.

  

Первой из частных задач, решение которых планируется в процессе исследований, является адаптация и отработка методики разделения гидрографа по источникам питания. Как я уже сказал, мы используем модель ЕММА, которая строится на решении системы уравнений смешения, в основе которой заложен принцип сохранения баланса влаги и нескольких консервативных растворенных элементов-трассеров. Методика, предполагаемая к использованию, основана на использовании природных трассеров.

– И что это за трассеры?

– Определение доли каждого из источников питания реки в модели ЕММА выполняется с помощью трассеров, отбираемых путем специальной статистической обработки больших массивов данных о содержании химических элементов в природных водах – макрокомпонентов, микроэлементов, – а также стабильных радиоизотопов кислорода, водорода и других элементов. Трассеры должны быть консервативны, то есть не вступать в химические реакции; концентрации трассеров потенциальных источников должны быть различимыми друг от друга; концентрации трассеров во всех компонентах должны быть постоянными во времени или их изменения известны; их пространственная вариация должна мало отличаться относительно различий между компонентами-источниками. Вообще стабильные радиоизотопы можно рассматривать как идеальные трассеры, но их использованию мешает сложность и высокая стоимость изотопных определений.

В качестве генетических составляющих-источников чаще всего принимают атмосферные осадки, почвенный раствор и базовый (глубокий подземный) сток. Подход к решению задачи генетического расчленения гидрографа на основе EMMA широко применяется за рубежом, и накопленный опыт показывает, что методика анализа меняется существенно, а наборы трассеров – очень сильно, в зависимости от ландшафтных условий и поставленной задачи. Так что наша работа сейчас находится на стадии отработки методики.

– Борис Ильич, расскажите немного о том, в чем сложность выполняемых работ.

– Главная техническая проблема, с которой мы столкнулись с самого начала, – закупка и освоение нового для нас современного автоматизированного оборудования для гидрометеорологических наблюдений. С самого начала было ясно, что традиционно применяемые в России приборы не способны обеспечить ни требуемой точности и детальности, ни (а это – главное) мобильности и эффективности наблюдений, чтобы дать возможность выполнять планируемые объемы работ небольшим коллективом, при минимуме имеющихся ресурсов. Вообще, не было смысла для решения «новомодной» научной задачи выходить в поле с оборудованием образца середины прошлого века.

 

Автоматический осадкомер на водоразделе р.Правая Соколовка, высота около 900 м/

Основной методической проблемой подхода является репрезентативность отобранных образцов по отношению к намеченным генетическим составляющим стока. Ее решением является отбор и анализ большого количества проб для учета пространственной вариабельности химических свойств различных водных масс. 

Нашей задачей на полевой сезон являются непрерывные наблюдения за осадками и стоком с охватом нескольких паводковых событий, одновременно с учащенным отбором проб речных вод и выполнением анализа содержания максимально возможного набора растворенных веществ для выявления потенциальных трассеров. В то же время проводится детальное исследование фоновых концентраций растворенных веществ в различных видах природных вод (атмосферных осадках, склоновых водах, подземных водах).

– Значит, полигон, на котором будут производиться исследования должен быть по возможности подробно описан?

– Это очень желательно и такой полигон у нас есть. Экспериментальные работы мы проводили на территории Верхнеуссурийского стационара БПИ ДВО РАН, на ручье Еловый в бассейне реки Правая Соколовка, входящей в систему верховьев реки Уссури. 

Измерение расхода воды в ручье.

Наблюдения за отдельными элементами водного баланса в бассейне ручья Еловый проводились с 1966 года после экспериментальной вырубки леса для изучения динамики влагооборота в хвойно-широколиственных лесах при восстановительных сукцессиях. В период с 1966-го по 2006 годы в исследуемом бассейне изучались: поступление жидких и твердых осадков и их перераспределение пологом лесных фитоценозов; поверхностный, внутрипочвенный и русловой сток при различной облесенности водосборов; испарение с подстилающей поверхности; водно-физические свойства и динамика влажности почв; режим грунтовых вод на склонах и на днище долине ручья; отдельные элементы микроклимата под пологом леса и на вырубках.

Комплекс работ, выполненных ранее на данном объекте, уникален и, без всякого преувеличения, представляет собой исключительную ценность для российской и мировой науки.

– Борис Ильич, что удалось выяснить к настоящему времени? Как проходили исследования?

– Наблюдения нами проводились в теплый сезон года – с июня по сентябрь. Регистрацию осадков и метеоэлементов выполняли с использованием двух автоматических осадкомеров и автоматической метеостанции. Для изучения стока использовалась сохранившаяся в удовлетворительном состоянии гидрометрическая плотина. Плотина оборудована двумя датчиками уровня воды и датчиком атмосферного давления, входящим в комплект и необходимым для компенсации изменений атмосферного давления при измерениях. Расходы воды измерялись с помощью высокоточного электромагнитного измерителя скорости течения. В течение сезона выполнены три съемки почвенной влажности, также с помощью электромагнитного датчика. Измерялась объемная влажность на поверхности и по 10-сантиметровым горизонтам на глубину до 50 см.

 

В маршруте.

Накопленные данные сейчас анализируются для определения возможности генетическом расчленении гидрографа на их основе. Однако уже можно отметить, что наблюдения позволили различить «быстрые» и «долгие» паводки. «Быстрые» паводки имеют форму острых пиков и заканчиваются за несколько часов. «Долгие» паводки охватывают несколько или десятки суток. 

Наиболее характерным и интересным явлением, которое было обнаружено высокоточными наблюдениями за стоком, является его выраженный суточный ход. В научной литературе очень трудно найти упоминания этого явления, и, насколько мне известно, оно никогда не становилось предметом специального научного исследования – скорее всего из-за того, что стандартные суточные данные о стоке его вообще не фиксируют. Новые данные подтвердили наше убеждение, что суточный цикл – один из основных ритмов, формирующих гидрологический режим. Поскольку внутрисуточные изменения стока прямо связаны с процессом транспирации влаги лесной растительностью, это явление ярко подчеркивает целостный, органичный характер геосистемы горного лесного бассейна.

– А что происходит с химическим составом вод?

– Нами отбирались пробы природных вод разного типа: атмосферных (на открытом месте и под пологом леса), склоновых (почвенных), русловых. При отборе гидрохимических проб проводилось измерение температуры и электропроводности воды. При лабораторном анализе определяются элементы как макро-, так и микросостава – всего около 30 показателей. Хочу отметить, что изучение природных вод такой полноты и интенсивности (за два сезона ними отобрано около 300 проб в пределах площади в несколько квадратных километров), само по себе представляет большую редкость. Первой нашей заботой является полное опубликование полученных данных.

Полученные нами пробы атмосферных осадков – ультрапресные сульфатные калиево-кальциевые. Важной особенностью осадков оказалась их высокая кислотность – систематически повторяются значения pH около 4.5. Этот факт не является чем-то совершенно новым, однако лично для меня было большим сюрпризом убедиться, что дождевая вода далеко в глухой тайге настолько кислая, а иногда не может быть названа даже просто чистой.

В почвенном профиле сосредоточены все основные факторы формирования химического состава стока. Родниковые воды интегрируют склоновый сток и по сумме растворенных веществ близки к водам нижних почвенных горизонтов. В исследуемом нами ручье Еловый химический состав русловых вод идентичен с составом склоновых (почвенных) вод, полученных с наибольшей глубины 45-50 см. Русловые воды ручья Еловый (в меженный период) ультрапресные сульфатные натриево-кальциевые. 

 

Отбор пробы почвенных вод.

Еще одной неожиданностью, с которой пришлось столкнуться, было резкое отличие состава русловых вод ручья Еловый от вод соседних ручьев, которые относятся к гидрокарбонатному классу. То есть, наш экспериментальный объект, как оказалось, отличается от соседних по составу вод на верхнем уровне гидрохимической классификации. Единственной причиной этого, которую мы пока можем предположить, являются интенсивные экспериментальные рубки, которые проводились на данном бассейне более 40 лет назад. Если это предположение подтвердится, то мы получим существенно новые данные о глубоком и очень продолжительном влиянии рубок леса на функционирование лесных геосистем. 

Естественно, содержательный анализ полученных нами данных пока находится на начальной стадии – ведь пока еще не завершен даже лабораторный анализ проб воды. При отмеченной низкой минерализации потенциальными трассерами генетических типов вод могут быть такие показатели, как рН, электропроводность, общая минерализация, компоненты макросостава, кремний и ряд микроэлементов, таких как Al, Ba и другие.

– Борис Ильич, можно ли утверждать, что использованный вами подход оказался оправданным?

– Хорошо известно, что при переходе на принципиально новую приборную и методическую базу исследований любой полученный результат становится тоже новым, часто – неожиданным, а иногда и открытием. Так что это всегда оправданно. Используемый нами подход, основанный на комплексном, в том числе – геохимическом, мониторинге природных вод в составе полустационарных и экспедиционных исследований, способен обеспечить решение современных задач исследований генетической структуры речного стока. В частности, таким путем можно получить данные для отбора наиболее адекватных гидрологических моделей, а это ключевая современная проблема – моделей много, хороших и разных, только мы не знаем, какие правильные… Однако такая постановка задачи требует освоения и адаптации современных методов исследования и приборной базы для натурных измерений высокого пространственного и временного разрешения – это требует денег и больших усилий со стороны исследователей. Будем работать.

Сплав молодости и опыта