Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетный период исследования выполнялись по двум направлениям: А)региональный анализ наблюдаемой изменчивости стока в бассейнах рек Дон, Северная Двина, а также Оби, Енисея и Лены Б) обоснование геогидрологических моделей выбранных ключевых объектов Методика региональных исследований включала создание баз данных о поверхностном стоке, осадках и температур, выбор в пределах бассейнов Дона и Северной Двины репрезентативных ненарушенных водохранилищами стоковых рядов протяженностью пятьдесят и более лет, расчленение гидрографов при помощи программного комплекса – GrWat и анализ пространственно-временной закономерности рядов общего, базового и минимального стока и анализ связи характеристик стока с влагозапасами , полученными с помощью дистанционного зондирования GRACE в 21 веке. Методика исследований на локальных объектах включала сбор и систематизацию материалов, проведение полевых исследований для разработки геогидрологической модели бассейна реки Ваймуги и актуализации моделей балки Таловая и нижнего течения реки Хейхе. Основные полученные результаты: Бассейн р. Северной Двины: На основе выбранных 28 репрезентативных створах показано, что для большей части рек бассейна Северной Двины наблюдается тенденция к слабому снижению максимальных расходов воды в пределах 5-10 % в сравнении с периодом 1945-1977 годов и сдвигу дат прохождения максимальных расходов воды на 1-2 дня. Минимальный месячный зимний сток в среднем увеличился для рек бассейна Северной Двины на 21%. Увеличение минимального летне-осеннего стока рек бассейна Северной Двины мене выражено и только для 8% постов статистически значимо. В целом для бассейна, величина подземной составляющей стока, рассчитанной по методу Куделина, увеличивается в сравнении с референтным периодом. Бассейн р. Дон: Расчленение и обработка стоковых данных по 51 репрезентативному створу в этом бассейне показали, что увеличение среднего меженного стока (за XI-II, VI-X) по сравнению с базовым периодом (1946-1978 гг.) характерно практически для всех анализируемых створов и составляет в среднем 71%. При этом минимальный месячный зимний сток в среднем увеличился для рек бассейна Дона на 113%, а изменения стока весеннего половодья за последние 50 лет характеризуются повсеместным уменьшением объемов на 20-40%. Максимальные расходы воды проходят раньше. Наиболее существенные изменения отмечаются в верхнем и среднем течении р. Дон (до 13-15 суток), на остальных реках от 2 до 8 суток. Результаты анализа связи влагозапасов, полученных с помощью Grace со стоком в 21 веке. Проведен анализа сезонной и внутрисезонной изменчивости влагозапасов TWS (terrestrial water srorage) в бассейнах Северной Двины и Дона и связь этих компонент динамики влагозапасов со стоком. Получены экспоненциальные регрессионные уравнения связи общего и базового стока с величиной TWS для обоих бассейнов. Бассейны Оби, Енисея и Лены: На основе анализа данных о стоке рек, температур воздуха и динамики активного теплового слоя в этих трех крупных бассейнов Сибири во второй половине 20 и начале 21 века подтверждена взаимосвязь между потеплением климата, деградацией вечной мерзлоты и подземным стоком на потепление климата в этих бассейнах. Для дальнейшего анализ временных рядов стока разработана методика автоматизированного расчленения гидрографов на основе нового метода двухпроходной цифровой фильтрации суточных расходов малых и средних рек, позволяющий разделить общий сток на быстрый сток (Quick flow) и медленный (Base flow). А в медленном стоке выделить отдельно его грунтовую составляющую. Для реализации этого метода обоснована методика оценки параметров цифровой фильтрации и написана программа расчленения временных рядов. Результаты исследований на ключевых объектах: В результате сбора и актуализации имеющейся информации и проведения полевой гидрометрической сьемки обоснована геогидрологическая модель бассейна р. Ваймуга, подготовлены стоковые и метеорологические данные для ее калибрации и ретроспективного моделирования Проведена ревизия и корректировка разработанной ранее геогидрологической модели балки Таловой. В результате: a) увеличена площадь модели путем включения в нее всего бассейна балки b) выполнен перевод модели на новую версию моделирующей системы, включающей наш программный код Surfbal для генерации условий на поверхности земли и новую версию программы Hydrus for Modflow. c) в Surfbal включен блок, учитывающий многолетнюю динамику водопотребления растительностью в период 1890-2020 гг за счет увеличения возраста лесополос, посаженных в начале 20 века d) уточнены гидрофизических характеристик и проницаемости почвы на лесных и степных участках балки Таловая. Для модели нижнего течения р.Хейхе получено, что использование данных о данных о эвпотранспирации, полученных при помощи MOD16 за 2008, 2015-2018 гг. позволило в условиях недостатка информации об уровнях подземных вод повысить обоснованность геогидрологической модели. Результаты исследований первого года опубликованы в пяти статьях и доложены на 7 конференциях. По полученным материалам выполняются бакалаврские и магистерские выпускные работы Геологического и Географического факультетов МГУ.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетный период исследования выполнялись по следующим направлениям: А) региональный анализ наблюдаемой изменчивости стока в бассейнах рек Дон, Северная Двина, а также Оби, Енисея и Лены, Колымы Б) обоснование геогидрологических моделей выбранных ключевых объектов Методика региональных исследований России включала статистический анализ созданных в первом году работ баз данных о поверхностном стоке, осадках и температур для выделения факторов и предикторов формирования стока в текущий период климатических изменений. Методика исследований на локальных объектах включала калибрацию геогидрологических моделей путем ретроспективного моделирования, проведение полевых исследований. Основные полученные результаты: Бассейн р. Дона: По результатам регрессионного анализа формирования весеннего стока на частных водосборах в зоне недостаточного увлажнения юга ЕТР определены три наиболее значимых фактора формирования стока. Установлено отсутствие значимой связи стока половодья с запасом воды в снеге (коэффициенты корреляции от –0,19 до 0,46) и увеличение роли влажности почвы и глубины ее промерзания (коэффициенты корреляции выросли соответственно до 0,4–0,57 и локально до 0,67). В то же время выявлена большая роль скорости таяния снежного покрова в период непосредственно перед началом весеннего половодья. Установлено, что главенствующие группы факторов формирования стока претерпевают изменения с увеличением площади водосбора. На небольших водосборах в бассейне Дона и Хопра основную роль играют глубина промерзания и зимние морозы, в нижнем течении на первый план выходят влажность почвы и скорость стаивания снежного покрова. В бассейне Медведицы с ростом площади водосбора группы факторов остаются прежними, однако значимость параметров внутри групп меняется. Показано, что важным фактором, обуславливающим изменения минимального зимнего стока рек бассейна Дона, является рост температуры воздуха за зимний период, в свою очередь вызывающий оттепели и увеличение жидких осадков. Бассейн р. Северной Двины: Для бассейна Северной Двины было выявлено, что наиболее значимыми предикторами является сумма осадков и средняя температура воздуха за отдельные месяцы. После проведения пространственного анализа было выявлено, что распределение наиболее влияющих месяцев по территории бассейна неравномерно. В результате в пределах бассейна Северной Двины было выделено два района: западный и южный (юго-восточный). В месячных суммах осадков которые наиболее влияют на зимний сток главную роль занимает сентябрь, для центральной части бассейна характерен ноябрь, а в верховьях – август. Коэффициент корреляции при этом не зависит от размера водосбора и варьирует от 0,5 до 0,77. При этом как и суммы осадков, так и температура воздуха имеют значимую статистическую связь с минимальным зимним стоком только до переломного года, после которого нарастают климатические изменения. В последние десятилетия какая-либо связь между этими предикторами и зимним стоком отсутствует. Бассейны Сибирских рек Показано, что для исследуемых бассейнов происходит заметное увеличение зимнего стока, причем наибольшее увеличение происходит в начале зимнего периода. Для оценки изменений ионного стока подготовлена и опубликована база верифицированная данных о макрокомпонентом составе речных вод шести главных бассейнов рек Восточной Сибири. База данных включает 9487 записи за период 1940-2019 годов по основным макро ионам (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- и HCO3-) и может служить основой для изучения пространственно-временных закономерностей изменений ионного стока в области многолетнемерзлых пород в период текущих климатических изменений. В результате проведения сопоставительного анализа расчленения гидрографа предложенным в 2021 году методом двухпроходной цифровой фильтрации с результатами геогидрологического моделирования стока показано, что этот метод хорошо оценивает разгрузку подземных вод в речную гидросеть и позволяет выделять многолетние тренды этой разгрузки. Таким образом, данный метод может быть использован для оценки наблюдаемых изменений в подземном стоке по измеренным гидрографам рек. Геогидрологическая бассейн р. Ваймуги На основе ретроспективного моделирования проведена калибрация полномасштабной геогидрологической модели бассейна р. Ваймуга, объединяющей процессы формирования подземного и речного стока бассейна путем сопряжения геофильтрационной модели подземного стока и ландшафтно-гидрогеологических моделей условий формирования водного баланса и инфильтрационного питания подземных вод По результатам калибрации достигнуто удовлетворительное соответствие модельных и фактических расходов р. Ваймуга по опорным створам. Таким образом разработанная геогидрологическая модель бассейна р. Ваймуга отражает природные пространственно-временные закономерности формирования минимального речного и подземного стока на период современных климатических изменений и может быть использована для сценарных прогнозов реакции стока на территории бассейна на ожидаемые изменения климата. Бассейн балки Таловая В результате калибрации модели по ретроспективным данным удалось достичь удовлетворительного совпадения наблюденного и модельного поверхностного стока, формирования и деградации снежного покрова и в целом за период наблюдений до 2019 года динамики уровня грунтовых вод в Докучаевском колодце. В отчетный период по теме проекта было опубликовано 9 статей, 5 из них в журналах из списка Q1 WoS, сделаны 4 доклада по теме проекта на конференциях разного уровня. Образовательная роль проекта состоит в том, что волонтеры-студенты участвовали в полевых работах, по теме проекта защищены в 2022 году одна бакалаврская и одна магистерская работа на Геологическом ф-те МГУ. Впервые в нашей стране с использованием материалов настоящего гранта подготовлен и прочитан на Геологическом ф-те МГУ спецкурс для магистрантов "Климат и подземные воды" в объеме 28 академических часов. Обобщающая лекция из этого курса прочитана также в Чанъаньском университете, г. Сиань, Китай.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный период исследования выполнялись в направлении регионального анализа поверхностного, подземного и ионного стока, а также анализа процессов инфильтрационного водообмена на ключевых объектах: Основные задачи регионального анализа: 1) выявление изменения годового стока рек ЕТР за два исторических периода 1946–1979 гг. и 1980–2021 гг.; 2) оценка точности метода Будыко при расчете годового стока; 3) оценка изменения речного стока рек ЕТР в XXI веке при различных сценариях изменениях климата, 4) Совершенствование метода двухпроходной цифровой фильтрации для выделения подземного стока и применение его для анализа наблюдаемого стока в ряде речных бассейнов, 5) Выявление закономерностей изменения ионного стока сибирских рек в контексте климатических изменений Исследования на ключевых объектах связаны с завершающими стадиями модельного анализа, инфильтрационного водообмена поверхностных и подземных вод . На этой стадии проводилось прогнозирование изменений питания подземных вод и подземного стока на севере ЕТР в бассейне р. Ваймуга и в Каменной степи в Воронежской области в бассейне балка Таловая при реализации к концу 21 века климатического сценария SSP5–8.5 В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты и выводы: Обоснована методика региональных сценарных расчетов изменения слоя годового стока с использованием пространства Будыко, реализованная с помощью зависимости Фу. Для оценки эмпирического параметра этой формулы ω предложена регрессионная модель, связывающая ее значение со степенью синхронности и размаха колебаний сезонного хода осадков и потенциального испарения SAI. На основе данной методики показано, что сток большинства рек ЕЧР в XXI в. вырастет вне зависимости от сценария изменения климата. В среднем для 76% водосборов направленность изменения речного стока за 2020–2100 гг. будет совпадать с наблюденной изменчивостью за период 1946–2021 гг Обоснован метод оценки параметров двухпроходной цифровой фильтрации многолетних суточных рядов речного стока для выделения в нем подземной составляющей. Проанализированы общие закономерности изменения подземного стока бассейнов средних и малых рек Волжского бассейна рек в конце 20 – начале 21 века, на основе которого получено, что: для исследуемых бассейнов стока нет статистически значимых временных трендов общего замедленного (базового) стока рек; для подземного стока всех исследуемых бассейнов есть формально значимый положительный временной тренд, но объяснённая им доля дисперсии составляет достаточно малую часть от общей дисперсии каждого ряда выделенного подземного стока; Общая минерализация (TDS) в бассейнах рек Восточной Сибири расположенных в зонах распространения преимущественно островной мерзлоты (194,6 ± 256,4 мг/л), примерно в 2,3 раза выше, чем в бассейнах рек с преобладанием вечной мерзлоты (83,7 ± 35,8 мг/л). Это различие может рассматриваться, как индикатор изменения в качестве пресной воды в результате деградации вечной мерзлоты. Концентрация ионов (Ca2+ + Mg2+ ) как показатель интенсивности карбонатного выветривания чувствительна к потеплению климата и увеличивается со скоростью 0,10 ммоль/(л-°C). Этот вывод свидетельствует о том, что ускорение карбонатного выветривания, вызванное потеплением климата, уже влияет на качество вод в Восточной Сибири. По результатам проведенных модельных исследований влияния прогнозных климатических изменений на условия формирования и стока в малом речном бассейне севера ЕТР (на примере бассейна р.Ваймуга) получено: • Ландшафтные различия климатической изменчивости инфильтрационного питания весьма существенны и проявляются даже на площади малых речных бассейнов с относительно однотипными условиями, что обусловлено нелинейностью климатической перестройки воднобалансовых процессов на поверхности земли и в зоне аэрации. • Сохранение в ближайшие 25-лет наблюдаемых трендов изменения метеорологических характеристик приводит к увеличению среднемноголетнего питания на площади бассейна на 30%, и соответствующему росту меженного стока рек, что снижает степень его нарушения под влиянием проектной эксплуатации подземных вод. С учетом наших предшествующих исследований можно заключить, что даже экстремальные прогнозные климатические изменения незначительно влияют на формирование запасов подземных вод береговых (приречных) водозаборов. По результатам проведенных исследований влияния климатических изменений на условия формирования инфильтрационного водообмена на малом водосборе черноземной зоны ЕТР (на примере Каменной степи) можно сделать следующие основные выводы: • При реализации наиболее неблагоприятного сценария изменения климата SSP5–8.5 условия трансформации осадков на поверхности и в почве существенно изменятся. Эти изменения связаны с ростом температур, прогнозируемыми ансамблем моделей CMIP6. • Результаты моделирования инфильтрационного водообмена для климата конца 21 века прогнозируемого сухой, средней и влажной МОЦАО из семейства CMIP6 на откалиброванной по ряду наблюдений за уровнем воды в Докучаевском колодце за период 1904-2023 годов модели показывают: o незначительное уменьшение (первые проценты) инфильтрационного питания подземных вод для средней и влажной моделей по сравнению с концом 20-началом 21 века, несмотря на существенную перестройку поверхностной части гидрологического цикла во внутригодовом разрезе o достаточно существенное уменьшение (около 60%) для сухой климатической модели o Такой контраст в прогнозном питании подземных вод связан с основной неопределенностью в долгосрочных прогнозных оценках среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод при использовании сценарного подхода к изменению климата и ансамбля МОЦАО. Эта неопределённость возникает из-за существенного разброса в прогнозируемых разными климатическими моделями годового слоя осадков Преставление результатов прогнозного гидрологического и геогидрологического моделирования в координатах пространства Будыко показало, что все вынесенные прогнозные и базовые варианты расчетов для ключевых объектов попадают примерно на одну кривую уравнения Фу. При реализации экстремального климатического сценария SSP5–8.5 изменения водного баланса ЕТР будут, по-видимому, двигаться вдоль этой кривой. В отчетный период по теме проекта было опубликовано 10 статей, 4 из них в журналах из списка Q1 WoS, сделано более 10 докладов по теме проекта на конференциях разного уровня. Образовательная роль проекта в 2023 состоит в том, что по теме проекта защищена в 2023 году одна магистерская работа на Геологическом ф-те МГУ, одна выпускная работа готовится к защите в 2024. Продолжено с использованием материалов настоящего гранта чтение на Геологическом ф-те МГУ спецкурса для магистрантов "Климат и подземные воды" в объеме 28 академических часов. Проведен совместный очный семинар в Пекине с китайскими участниками проекта в рамках этого семинара для китайских аспирантов и магистрантов прочитана обобщающая лекция из упомянутого курса .