CC BY
14
Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов
УДК 551.342 Б01: 10.24412/1728-323Х-2023-2-36-41
МОНИТОРИНГОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЛЕДЕЙ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ РЕК ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ СЕЛЕНГИНСКОГО СРЕДНЕГОРЬЯ
В. Н. Черных, младший научный сотрудник лаборатории геоэкологии, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН), geosibir@yandex.ru, г. Улан-Удэ, Россия,
Е. Ж. Гармаев, член-корр. РАН, директор, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН), garend1@yandex.ru, г. Улан-Удэ, Россия
Аннотация. В работе представлены результаты мониторинга и комплексного изучения наледей в центральной части Селенгинского среднего-рья. Район исследования включает семь малых водосборных бассейнов. На основе анализа данных космической съемки Landsat и Sentinel за период с 1988 по 2023 г. с привлечением материалов полевых экспедиционных исследований (2020—2023 гг.) выявлены общие особенности межгодовой и многолетней изменчивости наледей. Установлено, что в пределах района исследования, в зависимости от природно-климатической обстановки, формируется от 50 до 150 наледей, большинство из которых имеют площади в пределах от 10 до 100 тыс. м2. Наледи отличаются выраженной пространственной динамикой, а также цикличностью роста и сокращения площадей. Максимальная суммарная площадь наледей на территории достигает 6,5 км2, минимальная составляет 1 км2. За последние 30 лет в изменении площадей наледей наблюдается отрицательный тренд. Выявлена зависимость морфометрии наледей от основных метеорологических показателей, рассмотрены гидрологические угрозы.
Abstract. The paper presents the results of monitoring and comprehensive study of icings in the central part of the Selenga Highlands. The study area includes 7 small watersheds. Based on the analysis of Landsat and Sentinel satellite imagery data for theperiod from 1988 to 2023, involving the data of field expeditionary studies (2020—2023), the general features of the interannual and long-term variability ofthe icings were revealed. It was found that within the study area, depending on the natural and climatic conditions, from 50 to 150 icings are formed, most of which have an area from 10 to 100 thousand m2. The icings are distinguished by spatial dynamics, as well as by cyclic growth and reduction of the area. The maximum total area of the icings in the territory reaches 6.5 km2, the minimum is 1 km2. Over the last 30 years, a negative trend is observed in the changes of the icings areas. The dependence of the icings morphometry on the main meteorological indicators is revealed, and the hydrological threats are considered.
Ключевые слова: наледи, многолетняя мерзлота, малые реки, Селенгинское среднегорье, Landsat, динамика, климат, осадки, температура воздуха.
Keywords: icings, permafrost, small rivers, the Selenga Highlands, Landsat, dynamics, climate, precipitation, air temperature.
Введение. Крупная физико-географическая область — Селенгинское среднегорье, занимает российскую часть бассейна р. Селенга [1]. Из-за расположения на южной границе криолитозоны территория отличается распространением разных типов многолетнемерзлых пород (ММП). В горных районах бассейнов рек Джида и Чикой мерзлота имеет сплошное распространение, в областях формирования стока рек Хилок, Уда, Курба и др. преобладает островная мерзлота, так называемого забайкальского типа [2], центральная часть территории отличается наличие в основном талых пород. Это определяет активность криогенных процессов, и в первую очередь — наледеоб-разования.
Наледи в Селенгинском среднегорье формируются по долинам и в руслах рек, вдоль ручьев. Они имеют сравнительно небольшие размеры, но
встречаются практически повсеместно. На сегодняшний день, при текущей природно-климатической обстановке в российской части бассейна р. Селенга образуется до 15,5 тыс. наледей с общей площадью около 365 км2 [3]. При этом, в отличие от северо-востока России, Дальнего Востока или зоны БАМа, наледи данной территории практически не изучались [4]. В условиях развития хозяйства, науки и техники, когда в Забайкалье с переходом к очередному многоводному климатическому циклу [5] стали актуальными вопросы защиты населенных пунктов и объектов инфраструктуры от негативного воздействия наледей, необходимость в дополнительных современных исследованиях снова появилась.
Цель данной работы заключалась в комплексном исследовании наледных процессов в центральной части Селенгинского среднегорья,
где сосредоточена значительная часть населения Республики Бурятия и активно развивается хозяйство.
Материалы и методы. В качестве территории исследования выбран ключевой участок площадью 3,5 тыс. км2 на восточных отрогах хр. Цаган-Дабан, включая расположенные здесь межгорные котловины (рис. 1). Согласно карте типов распространения ММП на юге Сибири здесь преобладает островная м ерзлота [6]. Рельеф средне-горный, гидрографическая сеть представлена исключительно малыми реками и ручьями [7]. Водотоков с постоянным течением большую часть года насчитывается около 70. Самые крупные из них имеют протяженность 50—70 км, это реки Брянка, Кокытэй, Воровка, Куйтунка. В преде -лах территории исследования выделено семь малых водосборных бассейнов.
Наледи изучались дистанционными и полевыми методами, в том числе с использованием полустационарных наблюдений. Оценка современного состояния и многолетней пространственно-временной динамики наледей проводилась по д анным космической съемки Ьапё8а1 4-5, Ьапё8а1 8. Использовано 35 сцен, охватывающих
хронологический отрезок с 1988 по 2022 г. В течение указанного периода в Забайкалье наблюдалась последовательная смена климатических циклов. Начиная с конца 80-х годов XX в. по 2002—2003 гг. общая водность была высокой. Затем наступил продолжительный маловодный период, продолжавшийся с 2003 по 2019 г. [8]. В настоящее время маловодье вновь сменилось увеличение среднегодового количества осадков.
Для оперативного картографирования наледей использованы снимки Sentinel-2, одна сцена с датой съемки 30.03.2023. Выделение наледей проводилось экспертным методом. При ретроспективном картографировании (1988—2023 гг.) с помощью космических снимков Landsat применялся индекс NDSI (Normalized Difference Snow Index) [9]. Его расчет основан на разнице в отражении излучения между видимой зеленой (Green) и коротковолновой инфракрасной (SWIR1) частями спектра и производится по формуле NDSI = (Green — SWIR1)/(Green + SWIR1). Автоматизированные расчеты проводились в ArcGIS в пределах буферов, выделенных вокруг водотоков (ширина от 300 до 600 м). На основе полученных результатов созданы векторные слои.
Рис. 1. Территория исследования (наледи отмечены по состоянию на 2023 г.)
Рис. 2. Динамика наледей на ключевом участке в устье р. Кокытэй: 1 — 31 марта 2022 г.; 2 — 31 марта 2023 г.
Полевые экспедиционные мониторинговые исследования проводились в период с 2020 по 2023 г. С помощью ледомерных съемок [10], а также с применением методов совмещения цифровых м оделей поверхностей наледей и наледных полян, составленных на основе съемки с борта БПЛА, выполнены расчеты объемных характеристик отдельных ледяных полей. Кроме этого, в течение трех лет использовались автоматические датчики, проводились полустационарные наблюдения за основными климатическими характеристиками. Получены данные по температуре воздуха и количеству осадков теплого периода года, а также расходам воды на малых реках. При ретроспективной оценке динамики использованы данные МС «Улан-Удэ». Все наледи, установленные по космическим снимкам в 2023 г., обследованы.
Результаты и обсуждение. По состоянию на 2023 г. в пределах мониторингового участка зафиксировано 86 наледей суммарной площадью 1,7 км2 (табл. 1). Мощность наледей колеблется в пределах 0,4—2,5 м. Наледи максимальной мощности наблюдались в среднем течении р. Куйтун-ка. Общей закономерностью является изменение средних мощностей наледей в зависимости от участка речной долины, где они формируются. По результатам ледомерных съемок установлено, что в верховьях малых рек мощность наледей составляет 0,4 м, в среднем течении она достигает максимума — 1,5 м, в устьевых частях долин уменьшается до 0,75 м. Так как все водотоки территории небольшие, средний многолетний расход воды большинства из них не превышает 1 м3/с, то наледи, образующиеся в их долинах, это наледи подземных, надмерзлотных и грунтовых вод. Некоторые из них не связаны с мерзлотой, а формируются при промерзании грунтов до водоупорных горизонтов.
В таблицах 1 и 2 приведены основные сведения о наледях участка исследования за последние 2 года. При этом наледи отнесены к определенному классу с оговоркой, так как по запасам льда и интервалам мощности не соответствуют значениям, определенным Соколовым Б. Л. [11], при разработке применяющейся здесь классификации.
Относительная наледность территории составляет 0,048 %, что является низким показателем.
Первые наледи в пределах территории исследования появились в ноябре 2022 г., активная фаза формирования началась в начале января
Таблица 1
Основные морфометрические характеристики наледей в 2023 г.
Интервалы Коли- Общая Расчетный
Класс площадей, чество, площадь, объем льда,
тыс. м2 шт. тыс. м2 3 тыс. м
Малые 0,1—1 5 3,6 1,4
Средние 1—10 48 190 161
Крупные 10—100 30 1098 1207
Очень 100—1000 3 392 470
крупные
Таблица 2
Основные морфометрические характеристики наледей в 2022 г.
Интервалы Коли- Общая Расчетный
Класс площадей, чество, площадь, объем льда,
2 тыс. м шт. 2 тыс. м 3 тыс. м
Малые 0,1—1 1 0,7 0,35
Средние 1—10 69 372 316
Крупные 10—100 82 2061 2679
Очень 100—1000 5 826 1156
крупные
0 --------
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 Годы
Рис. 3. Динамика площадей наледей за период с 1988 по 2023 г.
2023 г. Максимального развития наледи достигли к 20 марта 2023 г., после этого началось их таяние.
По состоянию на 2022 г. на территории насчитывалось 157 наледей суммарной площадью 3,2 км2 (табл. 2). Максимальная площадь наледей составляла 3,2 м (устье р. Кокытэй). Данный год отличается значительным ростом количества и
объемов наледей, по сравнению с предыдущими. Это наблюдалось не только на мониторинговых участках, но и по всей северной (российской) части бассейна р. Селенга и на других территориях.
Относительная наледность в 2022 г. составляла 0,096 %.
Описанная изменчивость наледей связана с метеорологическими факторами среды. Графики хода температур атмосферного воздуха в период формирования наледей в 2022 и 2023 гг. практически совпадают, но в количестве осадков есть существенные различия, что очень важно, так как при инфильтрации в грунты осадки пополняют запасы подземных вод, которые в зимний период питают наледи. По данным автоматических приборов учета, в теплый период 2021 г. в пределах территории исследования выпало в среднем 380 мм осадков, в 2022 г. — 140 мм. В 2020 г. этот показатель составил чуть больше 200 мм, суммарные площади наледей весной 2021 г. составили 1,6 км2. Таким образом, мониторинговыми исследованиями установлена зависимость интен-
Рис. 4. Примеры подтопления наледями населенных пунктов и объектов инфраструктуры (2022—2023 гг.): 1 — подтопление подворий в с. Заиграево (фото с борта БПЛА, 2023 г.); 2 — затопленный гидрометрический пост на р. Брянка (2023 г.); 3 — подтопление наледью фермы у с. Надеино (2023 г.); 4 — автомашины, затопленные наледью в пос. Николаевский (2022 г.)
сивности наледобразования от количества осадков теплого периода года.
Вместе с тем полученные за 2—3 года наблюдений результаты отображают только межгодовую изменчивость в пределах одного климатического цикла. В многолетнем разрезе ситуация иная.
Анализ космических снимков Ьапё8а1 за период с 1988 по 2023 г. говорит о том, что в многоводные климатические циклы количество наледей может достигать 160, а общая площадь 6,8 км2. В период маловодья многие наледи полностью исчезают, а суммарная площадь оставшихся составляет около 1 км2. Статистический анализ с использованием данных метеостанции «Улан-Удэ» не выявил устойчивых зависимостей между метеорологическими показателями и интенсивностью наледных процессов. Максимальное значение корреляции (0,4) установлено для осадков теплого периода.
Для наледей территории характерна цикличная динамика площадей и объемов (рис. 3). Выделяются циклы роста и сокращения, что характерно и для наледей северо-востока России [12].
С 1990 по 2000 г., в многоводный период продолжительность каждого из циклов составляла 4 года, с 2010 по 2018 г., во время маловодья она увеличилась. Период сокращения площадей наледей начался в 2010 г. и наблюдался до 2018 г., затем наступила некоторая стабилизация, а в настоящее время наблюдается незначительный рост, но уровень 2010 г., когда фиксировался последний максимум, не достигнут. В целом за последние 30 лет выражен отрицательный тренд — устойчивое сокращение площадей (и объемов) наледей. Такую ситуацию можно уже считать типичной, характерной для районов с распространением островной мерзлоты. Меняется климат, зимы становятся теплее, грунты часто не промерзают на достаточную для перехвата подземных вод глубину [13]. Для районов со сплошным распространением ММП динамика наледей рассматривалась, но каких-либо закономерностей к настоящему времени не выявлено.
Библиографический список
Следствием интенсивного развития наледей являются гидрологические угрозы для населенных пунктов и объектов инфраструктуры (рис. 4). Они становится актуальными в многоводные климатические циклы. В течение 2021—2023 гг. в пределах района исследования наблюдалось подтопление шести населенных пунктов, а также множества линейно-дорожных объектов.
Данная проблема исторически обусловлена особенностями расселения населения. Также подтопления связаны с отсутствием или частичным разрушением защитных сооружений.
Заключение. В центральной части Селенгинс-кого среднегорья в районах с развитием островной многолетней мерзлоты на относительно небольшой по площади территории (3,3 тыс. км2) ежегодно формируется от 50 до 160 наледей. Мощности наледей небольшие и колеблются от 0,4 до 3,5 м. Относительная наледность невысокая, в многоводные годы может достигать 0,1 %, обычно меньше. В морфометрии наблюдается межгодовая изменчивостью, выражена многолетняя динамика и цикличность, которая совпадает с изменением увлажнения. За последние 30 лет площади объемы наледей сократились, что связано, вероятно, с изменениями климата.
Изучение наледей на локальном уровне позволяет понять общие региональные закономерности. Территория в центральной части Селенгинс-кого среднегорья, где проводятся мониторинговые исследования, является репрезентативной для районов развития островной многолетней мерзлоты в регионе. Кроме того, наледные процессы на территории протекают, в том числе и там, где преобладают талые горные породы. Это позволяет интерпретировать полученные результаты на обширные районы северной (российской) части бассейна р. Селенги. По последним данным похожая ситуация наблюдается в бассейнах рек Уда и Хилок, в некоторых областях формирования стока других крупных рек. В районах развития сплошной многолетней мерзлоты наледные процессы протекают по-другому и требуют дополнительного изучения.
1. Фадеева Н. Е. Селенгинское среднегорье. — Улан-Удэ: Бурятское кн. изд-во, 1963. — 170 с.
2. Алексеев В. Р. Многолетняя изменчивость родниковых наледей тарынов // Лед и Снег. — 2016. — Т. 56. — № 1. — С. 73—92.
3. Черных В. Н., Батоцыренов Э. А., Алымбаева Ж. Б. Наледи среднегорных районов бассейна оз. Байкал в условиях изменения климата // Сборник материалов Всероссийской научной конференции с международным участием «Экологические проблемы бассейна озера Байкал»: [электронное издание]. — Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2022. — С. 116—118.
4. Ensom T., Makarieva O., Morse P., Kane D., Alekseev V., Marsh P. The distribution and dynamics of aufeis in permafrost regions // Permafrost and Periglac Process. 2020. Р. 1—13. doi: 10.1002/ppp.2051
5. Гармаев Е. Ж., Пьянков С. В., Шихов А. Н., Аюржанаев А. А., Содномов Б. В., Абдуллин Р. К., Цыдыпов Б. З., Андреев С. Г., Черных В. Н. Картографирование современных изменений климата в бассейне реки Селенга // Метеорология и гидрология. — 2022. — № 2. — С. 62—74. DOI: 10.52002/0130-2906-2022-2-62-74.
6. Геокриология СССР: Горные страны юга Сибири / Ред. Э. Д. Ершов. — М.: Недра, 1989. — Т. 3. — 360 с.
7. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская область) / ГУГК. Москва-Иркутск. 1967 г. 176 с.
8. Андреев С. Г., Гармаев Е. Ж., Аюржанаев А. А., Батоцыренов Э. А., Гуржапов Б. О. Реконструкция водности рек и исторические хроники экстремальных природных явлений Байкальской Азии // Научное обозрение. — 2016. — № 5. — С. 35—38.
9. Hall D. K., Riggs G. A., Salomonson V. V. Development of methods for mappingglobal snow cover using moderate resolution imaging spectroradiometer data // Remote Sens. Environ. 1995. V. 54. P. 127—140. doi: 10.1016/0034-4257(95)00137-P
10. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями. — М.: «Транспорт», 1989.
11. Соколов Б. Л. Наледи и речной сток. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 190 с.
12. Алексеев В. Р., Макарьева О. М., Шихов А. Н., Нестерова Н. В., Землянскова А. А., Осташов А. А. Новые данные о гигантских наледях-тарынах северо-востока России // Подземная гидросфера: Материалы XXIII Всероссийского совещания по подземным водам востока России с международным участием. — Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2021. — С. 259—263.
13. Бадмаев Н. Б., Цыдыпов Б. З., Гармаев Е. Ж. Глобальное изменение климата и его отклик на почвенный покров южной границы криолитозоны Забайкалья // Сборник материалов Всероссийской научной конференции с международным участием «Экологические проблемы бассейна озера Байкал»: [электронное издание]. — Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2022. — С. 12—16.
MONITORING STUDIES OF ICINGS IN SMALL RIVER BASINS IN THE CENTRAL PART OF THE MIDDLE SELENGA HIGHLANDS
V. N. Chernykh, Junior Researcher, Laboratory of Geoecology, Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (BINM SB RAS), geosibir@yandex.ru, Ulan-Ude, Russia,
E. Zh. Garmaev, Corresponding Member of RAS, Director, Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (BINM SB RAS), garend1@yandex.ru, Ulan-Ude, Russia
References
1. Fadeeva N. E. Selenginskoe srednegor'e [The Selenga Highlands]. Ulan-Ude, Buryat book publishing house. 1963. 170 p. [in Russian].
2. Alekseev V. R. Mnogoletnyaya izmenchivost' rodnikovyh naledej tarynov [Long-term variability of taryn spring icings]. Ice and Snow. 2016. Vol. 56. No. 1. P. 73—92 [in Russian].
3. Chernykh V. N., Batotsyrenov E. A., Alymbaeva Zh. B. Naledi srednegornyh rajonov bassejna oz. Bajkal v usloviyah iz-meneniya klimata [Icings in the mid-mountain regions of the lake basin. Baikal in the conditions of climate change]. Collection of the proceedings of the All-Russian scientific conference with international participation "Ecological problems of the Baikal basin": electronic edition. Ulan-Ude, Publishing House of the Belarusian Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. 2022. p. 116—118 [in Russian].
4. Ensom T., Makarieva O., Morse P., Kane D., Alekseev V., Marsh P. The distribution and dynamics of aufeis in permafrost regions. Permafrost and Periglac Process. 2020. P. 1—13. doi: 10.1002/ppp.2051.
5. Garmaev E. Zh., P'yankov S. V., Shihov A. N., Ayurzhanaev A. A., Sodnomov B. V., Abdullin R. K., Tsydypov B. Z., Andreev S. G., Chernykh V. N. Kartografirovanie sovremennyh izmenenij klimata v bassejne reki Selenga [Mapping of modern climate changes in the Selenga River basin]. Meteorology and Hydrology. 2022. No. 2. P. 62—74 [in Russian].
6. Geokriologiya SSSR: Gornye strany yuga Sibiri [Geocryology of the USSR: Mountain countries of Southern Siberia]. Ed. E. D. Ershov. Moscow, Nedra, 1989. Vol. 3. 360 p. [in Russian].
7. Atlas Zabajkal'ya (Buryatskaya ASSR i chitinskaya oblast') [Atlas of Transbaikalia (the Buryat ASSR and the Chita Region)]. GUGK. Moscow-Irkutsk. 1967. 176 p. [in Russian].
8. Andreev S. G., Garmaev E. Zh., Ayurzhanaev A. A., Batotsyrenov E. A., Gurzhapov B. O. Rekonstrukciya vodnosti rek i istoricheskie hroniki ekstremal'nyh prirodnyh yavlenij Bajkal'skoj Azii [Reconstruction of the water content of rivers and historical chronicles of extreme natural phenomena in Baikal Asia]. Scientific Review. 2016. No. 5. P. 35—38 [in Russian].
9. Hall D. K., Riggs G. A., Salomonson V. V. Development of methods for mapping global snow cover using moderate resolution imaging spectroradiometer data. Remote Sens. Environ. 1995. Vol. 54. P. 127—140.
10. Rukovodstvo po proektirovaniyu, stroitel'stvu i ekspluatacii iskusstvennyh sooruzhenij avtomobil'nyh dorog na vodotokah s naledyami [Guidelines for the design, construction and operation of artificial structures of highways on watercourses with icings]. Moscow, Transport. 1989 [in Russian].
11. Sokolov B. L. Naledi i rechnoj stok [Icings and river runoff]. Leningrad, Gidrometeoizdat. 1975. 190 p. [in Russian].
12. Alekseev V. R., Makar'eva O. M., Shihov A. N., Nesterova N. V., Zemlyanskova A. A., Ostashov A. A. Novye dannye o gi-gantskih naledyah-tarynah Severo-Vostoka Rossii [New data on giant icings-taryns of the North-East of Russia]. Underground hydrosphere: Proceedings of the XXIII All-Russian meeting on groundwater of the East of Russia with international participation. Irkutsk, Institute of the Earth's Crust SB RAS. 2021. P. 259—263 [in Russian].
13. Badmaev N. B., Tsydypov B. Z., Garmaev E.Zh. Global'noe izmenenie klimata i ego otklik na pochvennyj pokrov yuzhnoj granicy kriolitozony Zabajkal'ya [Global climate change and its response to the soil cover of the southern border of the permafrost zone of Transbaikalia]. Collection of materials of the All-Russian scientific conference with international participation "Ecological problems of the Baikal basin": electronic edition. Ulan-Ude: BNTs SB RAS. 2022. p. 12—16 [in Russian].
