Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Обоснованы теоретические и методические подходы к изучению баланса наносов бассейнов крупных рек. Предложены количественные соотношения составляющих баланса наносов, характеризующие соотношение процессов поступления, переноса и аккумуляции твердого материала: масштабные коэффициенты, коэффициенты доставки и генетические коэффициенты. Масштабными коэффициентами, или коэффициентами редукции стока наносов, предложено называть отношение объемов перемещаемого грунта в пределах водосбора в результате разных природных и антропогенных процессов к стоку наносов в замыкающем створе. На основе учета концентрирования отдельных химических элементов и соединений в источниках поступления вещества и русловом потоке в замыкающем створе, определен масштабный коэффициент потоков отдельных химических элементов и соединений. Рассмотрены региональные уравнения баланса наносов для бассейна Лены. На основе обобщения доступной гидрометрической информации по бассейну Лены сделан вывод об увеличении поступления наносов к дельте на 6,1 млн т/год после 1988 г по сравнению с предыдущим периодом наблюдений, что связано с ростом водности и мутности воды в летне-осенний сезон. Наиболее вероятной причиной является климатически обусловленное термоэрозионное разрушение берегов, в первую очередь в средней и нижней Лены (ниже устья Олекмы). Для исследования реакции стока Лены в XXI веке на воздействие климатических изменений оценены результаты расчетов по глобальным моделям климатической системы Земли. Выявлены основные количественные характеристики изменения температуры воздуха, количества осадков и дефицита влажности воздуха в среднемноголетнем, среднегодовом и внутригодовом масштабе времени, которые демонстрируют тенденции к росту. Интенсивность этих изменений зависит от изменчивости концентрации парниковых газов до конца XXI века. В среднем, рост температуры воздуха может составить до 43% от базового периода 1960 – 2005 гг., суммы годовых осадков – до 18%, дефицита влажности – до 21%. Выполнен блок полевых работ в среднем (21- 26 сентября 2021 г.) и нижнем (03-07 июля 2021 г.) течении р. Лены и на р. Вилюй (август-сентябрь 2021 г.). По результатам полевых работ отрабатывался ряд новых методических подходов к изучению составляющих баланса наносов крупных рек. Исследовались возможности косвенного измерения распределения мутности в водной толще при помощи акустических доплеровских профилографов течения (АДПТ), которые существенно увеличивают точность расчета расхода взвешенных наносов по сравнению с классическими методами. На этой основе проведены оценки расходов взвешенных наносов по профилям обратного рассеяния для 70 створов средней Лены. Для расчетов был использован программный комплекс ASET – Acoustic Sediment Estimation Toolbox [Dominguez Ruben et al., 2020]. Получена региональная зависимость весовой мутности от оптической, которая является региональным инструментом, позволяющим с достаточной точностью (около 30%) проводить оперативные определения мутности воды на р. Лена. Полевые данные задействованы для разработки региональной модели концентрации взвешенных наносов по спутниковым данным Landsat 8. Использованы разные модели мутности воды, соответствующие разным фазам водного режима: для межени модель параметризована по данным 2016 года (9 июля) для Якутского узла, а для половодья - по данным за период с 20 по 28 июня 2020 г. для участка ниже устья Алдана. В период с 8 по 18 августа и с 28 августа по 8 сентября 2021 г., во время глубокой межени, при расходах 250-350 м3/с, в среднем течении Вилюя и на вилюйских водохранилищах выполнен комплекс гидрометрических, гидрофизических и георадарных измерений, отбор проб воды для определения мутности воды, гранулометрического и химического состава взвесей. Измерениями охвачено 10 гидростворов, измерено 8 расходов воды, отобрано 26 серий проб воды для последующего лабораторного анализа в 2021-2022 гг. На втором этапе отобрано 12 проб воды на всем протяжении Вилюйского водохранилища. На этой основе впервые даны оценки пространственного распределения мутности воды в акватории Вилюйского водохранилища, которая составила 6-7мг/л, увеличиваясь в 1,1-1,5 раз по глубине. В сентябре мутность воды была больше – 7-8 мг/л. В нижний бьеф Вилюйской ГЭС-1,2 сбрасываются воды с такой же мутностью, как и на приплотинном участке. На первых 325 км с объективными ограничениями по эрозии и поступлению наносов с водой притоков увеличение мутности небольшое - в 1,3-1,5 раза (до устья р.Мал.Ботуойбы). Ниже по течению условия пополнения взвесей в потоке улучшаются, и к Крестяху/Сунтару мутность увеличивается до 9-10 мг/л. Для разных пространственных масштабов бассейна Лены выполнены расчеты составляющих баланса наносов. Для развития этого направления даны оценки возможностей применения модификаций эмпирических моделей эрозии (уравнения эрозии почв RUSLE [Renard et al., 1997] и его модифицированной версии MUSLE [Williams, 1975]) для территорий распространения мерзлоты. Показано, что в таких условиях хуже всего параметризации поддается эрозионная способность почвы. Влияние промерзания обладает высокой неопределенностью в существующих моделях: от -20% (для увлажненной почвы) до +1000%. Поскольку основным фактором, через который промерзание почвы влияет на ее эрозионную способность, является перераспределение между поверхностным и подповерхностным стоком, при оценке бассейновой эрозии в условиях промерзания почвы необходимо учитывать поверхностную составляющую стока, т.е. применять модель MUSLE, что будет выполняться на следующих этапах проекта. На данном этапе расчеты склоновой эрозии выполнены на основании универсального уравнения эрозии почв (RUSLE) [Renard et al., 1997], которые характеризуют ее суммарные объемы . В качестве исходной цифровой модели рельефа (ЦМР) задействована база данных Дж. де Ферранти [Ferranti de, 2014]. Средние темпы эрозии на территории водосбора рр. Лена предварительно оценены величиной 5,27 т/га/год, а суммарный объем поступления продуктов дождевой эрозии - величиной 1886•106 т/год. Самые высокие региональные темпы характерны для Казачинско-Ленского района Иркутской области (218 т/га) и Муйского района Бурятской республики (158 т/га). С опорой на методы дистанционного зондирования и глобальные базы данных гидрометрической информации выполнены расчеты объемов поступления продуктов русловой эрозии в среднем и нижнем течении р. Лена (от пос. Малыкан до вершины дельты, на участке в 1800 км). На основе полуавтоматизированного расчета в среде ГИС средних высот берега, глубин и ширин русла, оценено, что в результате размывов берегов на указанном участке Лены в русло поступает 337 •106 т/год грунта. Выполнен крупномасштабный анализ составляющих баланса наносов в четырех из пяти модельных водосборов, отличающихся по особенностям эрозионно-аккумулятивных процессов, типичных для бассейна Лены. Для модельного участка – Водохранилище Вилюйской ГЭС-1,2 (Вилюйское водохранилище), оценена его роль в трансформации стока воды и наносов Вилюя. Информационной основой послужили данные сетевого мониторинга за период до 2019 г., экспедиционные измерения в верхнем и нижнем бьефах вилюйских водохранилищ в августе-сентябре 2021 г., результаты балансовых расчетов по полуэмпирическим формулам. Результаты расчетов показали, что водохранилища заметно сократили сток наносов Вилюя на всем участке нижнего течения вплоть до впадения в Лену. В водохранилище поступает ~22,5 км3 речных вод: 82% в половодье, 16,5% –в летне-осеннюю межень. 75% приходится на верхний Вилюй и северные притоки. Средний сток взвешенных наносов оценен в 200 тыс. т/год: 78,3% - северные реки, включая Вилюй; доля мая, июня, июля-августа и сентября-октября - 46,6, 43,1, 9,1 и 1,1%. Сброс в нижний бьеф 80-90 тыс. т/год, или 40–45% от поступающих в водохранилище взвешенных наносов. Расчеты наносоудерживающей способности по моделям Новикова и Бруна свидетельствуют о том, что, с учетом других источников поступления наносов (в первую очередь абразия берегов) и влекомых наносов, в водохранилище задерживается до 98 % всего поступаемого терригенного материала. Для модельного участка дельты р. Лены, выполнена оценка баланса взвешенных наносов по данным моделирования мутности воды по 50 снимкам LandSAT за период с 1999 по 2019 г. На основе разработанных приемов автоматизированного дешифрирования концентрации взвешенных частиц в воде и картографирования распределения мутности в пределах обширной акватории дельты Лены обнаружено, что в отличие от большинства устьевых участков крупных рек Мира здесь происходит увеличение стока взвешенных наносов. Эрозионный режим дельты объясняется термоденудацией и термоэрозией берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами. Этому способствует отсутствие растительности на поверхности поймы и в русле. В рукавах большего размера интенсивность эрозионных процессов максимальна. Размывы наиболее характерны для левых берегов южной экспозиции субширотно ориентированной Быковской протоки. Единственным аккумулятивным сектором дельты являются малые пойменные протоки Туматского и в меньше степени Оленекского сектора, где в условиях максимального снижения уклонов и увеличения числа мелких проток происходит перехват части поступаемого материала. Для 4-х основных секторов дельты определены средние значения баланса взвешенных наносов для диапазона расходов воды от 17 000 до 72 200 м3/с. На основе учета распределения расходов воды по секторам дельты сделан вывод, что в среднем в дельте на участке от вершины до приустьевой зоны (40 - 60 км от устьевых створов Быковской, Трофимовской и Туматской проток, около 100 км - для Оленекской протоки) происходит увеличение мутности воды и расхода взвешенных наносов на 9.2 %. Концепция интегральной оценки баланса наносов реализована в полной мере для модельного участка р. Лены в районе г. Якутска между Табагинским и Кангаласским мысами. Здесь на основе реализации крупномасштабной пространственной эрозионно-аккумуляционной модели бассейновой эрозии WaTEM/SEDEM привнос наносов бассейнового происхождения в русло с прилегающих участков водосбора оценен величиной 50073 т/год (3.5 т/км2 в год). Объем поступления продуктов размыва берегов на этом участке определяется величиной 10.7•106 т/год. Эти данные сопоставлены с высокодетальными гидрометрическими измерения баланса наносов (70 створов измерений на участке в межень - сентябрь 2021 г.). Выявлено продольное увеличение расхода взвешенных наносов (6009 т/сут), формируемое продуктами русловой эрозии и, возможно, техногенными взвесями от хозяйственной инфраструктуры г. Якутска. Вклад бассейновой эрозии в сток наносов в межень составляет менее 5 %. Значительная часть продуктов размыва берегов (более 90 %) переотлагается в русле. С использованием космических данных выявлено, что баланс наносов на исследуемом участке имеет сезонный режим. Наносы преимущественно аккумулируются в пойменно-русловом комплексе в периоды повышенного стока, что приводит в это время к продольному снижению стока наносов на бесприточных участках рек. В межень достоверно прослеживается увеличение мутности воды на перекатных участках, что связано с их размывом. Эти процессы определяют сортировку механического и химического состава взвешенных и влекомых наносов в пределах пойменно-руслового комплекса р. Лены. Проведенный пространственно-временной анализ концентраций наиболее важных химических элементов (Li, Al, Ca, V, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Mo, Sb, Ba, Pb, Bi, U) в растворенной и взвешенной форме показал, что наибольшая вариабельность значений характерна для растворенных Zn, Al, Mn, As и взвешенного Mn. Установлена преобладающая форма миграции химических элементов для среднего и нижнего течения Лены: в растворенной форме мигрируют в основном Ca, Sr, Sb, Mo, Pb, U, Cu, а во взвешенной – Al, Mn, Bi, Zr, V, Zn.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С помощью сценариев хода региональной температуры воздуха и количества осадков, которые могут быть оценены на будущее только с помощью моделей общей циркуляции атмосферы, получены проекции возможных изменений речного стока в бассейне Лены до конца XXI века. Согласно проекциям, сток будет расти, причем этот рост неравномерный в зависимости от концентрации парниковых газов. Выполнен сравнительный корреляционный анализ основных свойств почвы определяющих ее смываемость в двух базах данных SOILGRID.org и Единый государственный реестр почвенных ресурсов. На основе данных ЕГРПР создана векторная карты смываемости почв водосбора р.Лены. Обобщенная интегральная оценка баланса наносов на всю территорию водосбора Лены показала, что в современных гидроклиматических условиях бассейн Лены представляет собой область аккумуляции, темпы которой значительно превышают объемы выноса за пределы речного бассейна. При стоке наносов (взвешенных и влекомых) в устье (вершина дельты) 38.6 •106 т/год, лишь около 3 % продуктов бассейновой эрозии и около 10 % русловой эрозии достигает устья р. Лены. Выполнен анализ трансформации климатических факторов стока наносов, актуальных для большей части бассейна р. Лены, расположенной в зоне вечной мерзлоты. Обнаружен восходящий тренд температуры воды за 1990-2019 гг. с величиной от 0,2 до 0,8оС/10 лет и выше. В зону с наибольшим нагревом речных вод (ΔT>1оС) попадают левобережье нижней Лены, крайне западные районы и нижняя часть бассейна р.Вилюя с Центрально-Якутской равниной, северная часть Приленского плато с низовьями р.Алдана. В колебаниях годового стока изменения отмечаются с конца 1980х – начала 1990х годов в западной части бассейна (переломные годы 1988 и 1990/1994 гг.) и с середины – второй половины 1990х гг. (единый год 1996) в юго-восточной части бассейна. Пространственная привязка всех оцененных изменений температуры и расходов воды, теплового стока, сопоставление их между собой с учетом их величины, характера современных трендов позволили в первом приближении определить границы районов в бассейне р.Лены с наиболее благоприятными гидрологическими условиями к активизации размыва речных русел и увеличеню стока наносов руслового генезиса. Детально исследованы пространственные закономерности развития бассейновой и русловой эрозии. Определены величины размыва речных берегов нижних 1800 км Лены, нижней части бассейнов Вилюя и Алдана, включая их крупные притоки, такие как Марха, Тюнг, Амга, создан задел для расчета объемов поступления наносов на этих участках. На участках широкопойменного русла р. Вилюй за период с 1984 по 2021 г. средние масштабы размыва определены величиной 600 до 1200 м. На р.Марха сопоставимые с нижним Вилюем скорости многолетнего размыва, несмотря на существенно меньшие (в несколько раз) расходы воды – от 40 до 400 м. В низовьях р.Тюнг скорости эрозии не превысили 100 м на 100 км, что можно объяснить меньшей водностью этой реки, в сравнении с Мархой. На р.Алдан обнаружены сопоставимые с Вилюем и Мархой скорости эрозии. Они увеличиваются ниже слияния рр. Алдан и Амга – с 190-730 до 460-1260 м на 100 км. Причем на Амге они близкие по своей величини – в диапазоне 200-280 м на 100 км. Определена структура русловой составляющей стока наносов. Так, в расширениях Лены 48% от общего объема продуктов размыва связана с деформациями островных массивов, в то время оставшиеся 52 % равномерно распределены между левым и правым берегом. На примере модельного участка р. Лены показано, что русловая эрозия приводит к поступлению 19,6–36 кг в год органического вещества с квадратного метра размываемого берега. На основе адаптации данных реанализа ERA5-Land с привлечением многолетних мониторинговых данных на метеостанциях Тикси и Кюсюр установлено, что плановые переформирования речных русел в районе дельты Лены могли претерпеть изменения за счет влияния метеорологических факторов, так как температура воздуха, количество осадков и солнечная радиация. Значительное и достоверное изменение исследуемых показателей произошло в начале 21 века, что могло спровоцировать интенсификацию термоэрозионной составляющей дельты, сложенной многолетнемерзлыми породами. Фиксируются значимые изменения температуры воздуха начались в 2004 году, величина тренда за период с 2004-2021 составила +1,89°C/10 лет; максимальные изменения наблюдаются в южной части дельты – в районе Оленекской и Быковской проток. Изменения в потоке солнечной радиации приурочены к 2004 году, величина линейного тренда за исследуемый период составила +7,00% /10 лет. Максимальные изменения отмечены в южной части дельты – участок главного русла до разветвления у острова Столб. Значимых изменений по количеству осадков статистически не обнаружено. Изменения в скорости и направленности русловых переформирований, связанные с климатическими изменениями, а конкретно с изменениями температурного фактора, более вероятны в июне, в период прохождения половодья и интенсификации береговых размывов, а также в августе. За эти месяцы установлены наибольшие по величине тренды до 3,5 ℃ /10 лет Проведена количественная оценка стока наносов с территории модельного водосбора одного из ключевых водосборов, характеризующих сельскохозяйственное освоение территории - р.Большая Черепаниха. Построена картографическая модель интенсивности эрозионно-аккумуляционных процессов. В результате проведенных расчетов было установлено, что за период с 1966-1985 по 1986-2021 произошло более чем двух кратное сокращение стока наносов с водосбора в реку (с 5162 т /год до 2444 т/год). Наблюдающаяся динамика совпадает по направлению с динамикой изменения стока наносов в реке Большая Черепаниха. Результаты проекта представлены на международном вебинаре World Large River and Delta Systems, from Source to Sink (https://meas.ncsu.edu/sealevel/s2s/talks.html), международной площадке экспертов по тематике изучения стока наносов больших рек и их дельт. Запись выступления С.Р. Чалова «Sedimentation patterns from the headwaters to the delta of the Lena River» доступна по ссылке https://youtu.be/HM3O1cpGm3A. В рамках проекта создана программа "Sediment Load" и получено свидетельство о ее регистрации (https://istina.msu.ru/certificates/446961896/). Программа предназначена для моделирования распространения взвешенных веществ по речной сети ниже техногенных источников поступления. Она используется для сценарных оценок, связанных с влиянием горндобывающей деятельности на сток наносов в бассейне Лены.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный год завершено создание интегральной модели баланса наносов бассейна Лены, характеризующей перераспределение материала в пределах крупной субарктической территории в условиях интенсивных климатических изменений, деградации вечной мерзлоты, отельных аспектов антропогенного воздействия. Полученные по эрозионно-аккумулятивной модели WATEM/SEDEM оценки поступления наносов бассейнового происхождения в русловую сеть (1.38 Мт/год) сопоставлены с оценкой поступления наносов за счет размыва берегов (490 Мт/год) и стоком наносов р. Лены (38.6 Мт/год). С учетом эрозии талых вод, вклад бассейновой составляющей в сток наносов оценивается величиной около 5 % (до 20 % от стока взвешенных наносов). Аналогичный вывод о преобладании вклада русловой эрозии в сток наносов получен при применении методики расчленения стока наносов на бассейновую и русловую составляющую по данным о гранулометрическом составе взвесей. Доказано статистически достоверное ускорение поступления наносов руслового происхождения с берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами. На средней Лене острова, имеющие мерзлотные ядро, испытывают большие темпы размыва, чем молодые острова, лишенные мерзлоты. Их средние скорости размыва отличаются и составляют 0,35 м/год и 0,09 м/год. Роль термоэрозионных процессов еще более существенно проявляются на участках распространения едом. В частности, показано, что темпы отступания участка «Мамонтовая гора» на левом берегу р. Алдан достигают 18 м/год, при средней скорости отступания берега на Алдане 0,6 м/год. Объем поступления наносов руслового происхождения на данном участке оценен величиной 0.1 Мт/год, что определяет 0,3 % от суммарного объема разрушения берегов р. Алдан. Все это свидетельствует о важнейшей роли климатических изменений в трансформации стока наносов Лены. Ряд результатов основан на созданной наиболее полной электронной базе рядов мутности по 53 постам с продолжительностью измерения от 8 до 43 лет. На ее основе проведена разработка карты средней мутности бассейна Лены и регрессионной модели формирования стока взвешенных наносов, соответствующих современным климатическим условиям. Для всех постов были выделены водосборы, для которых оценены 81 фактор формирования мутности воды 5 категорий (относящиеся к потерям почвы с водосбора; к морфометрии рельефа; к стоку воды, антропогенной нарушенности русел и климатическим характеристикам). Для всего бассейна Лены предикторы с достоверной корреляцией характеризуют особенности формирования стока взвешенных наносов. К ним относятся потери почв, связанных с максимальным эрозионным потенциалом осадков, и морфометрические факторы рельефа. Получена эмпирическая модель, основанная на статистически достоверной связи стока взвешенных наносов и максимального эрозионного потенциала осадков, которая свидетельствует о важнейшей роли осадков в формировании стока взвешенных наносов в период открытого русла в бассейн Лены. На этой основе дана также характеристика темпов современных изменений стока взвешенных наносов. Сокращение стока взвешенных наносов рек в бассейне р. Лены зафиксировано на почти 80% постах. Причем величина снижения очень значительная: у 42% постов она превысила 50%, у 24% находится в диапазоне от 25 до 50%, у 12% - <25%. Лишь на 7 постах (21%) сток наносов увеличивается. Выделены 5 зон с характерными изменениями. 45% постов демонстрирует в 1993-2021 г. незначительный тренд (-0,1…+0,1 кг/с×10 лет), а 22% - существенно положительный тренд. Установлено, что 3% постов показывают ее снижение на более чем 50 г/м3, 15% - на 25-50 г/м3, 21% - на 10-15 г/м3, 42% - на 0-10 г/м3; 18% постов оказались с положительными изменениями. Комплекс исследований в дельте Лене позволил обосновать вывод о том, что следствием наблюдаемого роста температуры воздуха является интенсивное разрушение берегов, сложенных многолетнемёрзлыми породами. Наибольшее влияние солнечной радиации и температуры выявлено для проток Трофимовская и Оленёкская, чьи берега характеризуются высокой льдистостью отложений. В Трофимовской протоке наблюдаются наиболее интенсивные и самые большие по площади размывы, скорости которых достигают 15 м/год при средней интенсивности отступания берега 4,74 м/год. На фоне роста температура воздуха отмечено общее убыстрение разрушения берегов со средних значений в дельте 1.47 м/год за период с 1964 по 2000 до 2.87 м/год и с 2000 по 2021 гг. Это является основным объяснением увеличения стока взвешенных наносов по длине дельты, которое оценено величиной 2.4% (оценка охватывает период открытой воды с июня по сентябрь с 2000 по 2022 гг.). Продольное увеличение мутности статистически достоверно связано с среднесуточными температурами воздуха и температурами почв на поверхности и глубине 0,75 м. Термическое влияние приводит к разрушению берегов и формированию мутьевых потоков и выносу поступления в русла взвесей, который определяет баланса взвешенного вещества в дельте и продольное увеличение мутности. Преимущественное влияние температурных факторов установлено для участков Трофимовской и Оленекской проток, берега которых сложены многолетнемерзлыми породами. Для программы Мегадельты, которая является частью десятилетия ООН наук об океане (UN Ocean Decade) , С.Р. Чаловым и К.Н. Прокопьевой подготовлен обзор дельты Лены, основанный на результатах исследования. На форуме программы Мегадельты (Mega-Delta Programme), проходившей в Шанхае в ноябре 2023 года, выпущен релиз этого обзора ООН (https://onedrive.live.com/?authkey=%21AHBM6%2D1PgKqUgKI&cid=E32AA8D1500336C2&id=E32AA8D1500336C2%211412&parId=E32AA8D1500336C2%211411&o=OneUp). Разные аспекты исследования, в части интегральной оценки баланса наносов бассейна, результатов исследований в дельте Лены, представлены с устными очными докладами на различных российских конференциях, а также форуме Юнеско по большим рекам (Вена, август 2023); ассамблее геофизического союза IUGG (Берлин, июль 2023), на конференции по мегадельтам (Шанхай, ноябрь 2023). В отчетном году участниками защищена магистерская диссертация (К.Н. Прокопьева "Многолетние и сезонные измерения факторов формирования и стока взвешенных наносов в дельте р. Лена", руководитель Чалов С.Р., июнь 2023 г., МГУ, географический факультет) и кандидатская диссертация (В.А. Ефимов по теме «Пространственно-временная изменчивость химического состава наносов рек российской Арктики», руководитель Чалов С.Р., июнь 2023 г., МГУ, географический факультет)