ПРОЕКТ РОССИЙСКОГО ФОНДА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ № 18-05-60036

 (2018-2021 ГОДЫ):

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА И КОЛЕБАНИЙ ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ПРОТАИВАНИЯ
НА ВОДНЫЙ БАЛАНС МАЛЫХ РЕК КРИОЛИТОЗОНЫ СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ
Методы исследования

Съемка предполагает площадное обследование водосборных бассейнов рек (20-100 км²) по сети, вынесенных на карту профилей.  Детальность обследования соответствует масштабу 1:100 000 - 1:50 000 (5-10 измерений на 1 км²). Профиля параллельные по простиранию склона с интервалом 750 м, пикеты с интервалом 150 м. Сгущение профилей и точек наблюдения производится на участках с неровным террасовидным рельефом, с признаками активного термокарста и термоэрозии, мерзлотного пучения. Съемка производится в период наибольшей скорости протаивания деятельного слоя (5-20 июля).

Точки наблюдений привязываются на местности по карте и по GPS навигатору. На каждой точке металлическим щупом 1 м измеряется глубина сезонного протаивания. Производится несколько замеров в различных местах: кочка, мочажина, пятно-медальон, торфяной бугор, результаты измерений фиксируются в полевой книжке. С помощью влагомера ТК100-01 на пикете измеряется влажность деятельного слоя под моховой и пушицевой дерниной на глубине 15-20 см. Измерения производятся в 3-х смежных местах, в описании фиксируется средний результат. При пересечении заболоченных участков влажность не определяется. На каждом 10 пикете на сухих и влажных тундрах с уровня половины глубины протаивания из под торфяной дернины в металлические бюксы отбираются пробы на влажность. В дневнике дается описание местоположения точки наблюдения: микрорельеф, почвенно-растительный покров, характер обводнения, проявления мерзлотных процессов, наличие снежников и склоновых наледей. Также фиксируются изменения этих условий по ходу маршрута.

Мерзлотные исследования
 
Мерзлотно-гидрометрическая съемка

​​

* - страницы в разработке

При пересечении профилем водотоков 2 и 3 порядков производятся гидрометрические наблюдения.  В створе русла с устойчивым ламинарным потоком с помощью мерного щупа и рулетки измеряют площадь сечения. Затем микровертушкой измеряют скорость водного потока, которую сохраняют в памяти прибора ("ПОТОК-мкр", ГР-100). Дополнительно портативным кондуктометром (NDS-3, COM-80) и pH -метром (KL-911) определяют минерализацию, температуру и pH реакцию воды.  Результаты всех измерений, подробное описание бортов долины и поймы ручьев заносят в полевой дневник. При пересечении маршрутом небольших озер, обводненных термокарстовых просадок оценивается их глубина и площадь, определяется наличие и характер стока, минерализация, температура и pH-реакция воды,  в приметной точке берега  ̶  измеряется уровень уреза воды и глубина водоема.

Мониторинг глубины сезонного протаивания

Наблюдения динамики глубины сезонного протаивания подразделяются на межгодовые многолетние и внутрисезонные годовые.

Межгодовые многолетние наблюдения динамики глубины сезонного протаивания ведутся на площадках CALM (Circumpolar Active Layer Monitoring: Long-Term Observations of the Climate-Active Layer-Permafrost System) и на площадках, созданных в рамках настоящего проекта. Площадки размером 100х100 м располагаются в пределах типичных для изучаемых территорий форм рельефа и фаций ландшафтов. Измерения проводятся в начале осени (после первых заморозков) с помощью металлического щупа по сети 10х10 м. Основная задача многолетних наблюдений - сопоставление долгосрочной динамики климата, сезонного протаивания и водного стока с типичных водосборных площадей и равнинных бассейнов рек в целом.

Внутрисезонные годовые наблюдения динамики сезонного протаивания проводятся на ключевых участках, изучаемых водосборных площадей. В зависимости от решаемых задач периодичность наблюдение может планироваться от 5 до 25 суток. Плотность сети наблюдений в зависимости от размеров ключевого участка задается от 120 до 300 точек на км² , что соответствует масштабу достоверной мерзлотной съемки 1:25 000 - 1:10 000.  Измерения производятся, по пикетированным вешками профилям с помощью металлического щупа 1 м. Наблюдения глубины протаивания дополняются измерением влажности почв влагомером ТК100-01 на глубине 25 см. Основная задача наблюдений - сопоставление динамик сезонного протаивания, мощности надмерзлотного горизонта и склонового стока.  По итогам  мониторинга предполагается привязка результатов наблюдений к погодным условиям теплого периода года и многолетним динамикам сезонного протаивания.

Мониторинг температуры и влажности сезонноталого слоя

Многолетний мониторинг температуры сезонноталого слоя проводится на площадках CALM с помощью автоматических устройств loggers data производства HOBO ONSET:  H08-031-C01, U23-003, U-12. Датчики температуры располагаются на глубинах 25, 35, 45 см. Запись температуры производится с интервалом 4 часа.

Сезонный мониторинг температуры и влажности планируется с целью решения следующих задач:

1) определения суточной динамики температуры и влажности (точка росы) обломочных рыхлых отложений на каменистых склонах с целью оценки условий формирования стока конденсационных вод;

2) определения суточной и декадной динамики температуры и влажности кровли надмерзлотного горизонта подземных вод пологих тундровых склонов с целью оценки динамики его формирования и инфильтрационного питания.

Для решения первой задачи планируется установить 3 датчика в гористых истоках ручьев на склонах различной крутизны и степени задернения. В период отсутствия значимых атмосферных осадков в течение 3-5 суток будут проведены, синхронные замеры температуры и влажности обломочных рыхлых отложений, автоматизированные измерения стока (скорости водного потока в створе) ручья водосборной площади. Параллельно планируется вести мониторинг температуры, влажности воздуха и атмосферного давления.

Для решения второй задачи планируется на ключевом участке изучения надмерзлотного стока установить 3 датчика на профиле в крест простирания склона: водораздел, середина склона, подошва склона. Измерения температуры и влажности сезонноталого слоя производить синхронно измерениям уровня воды в дренажных шурфах размещенных на профиле. Параллельно планируется вести мониторинг температуры, влажности воздуха и атмосферного давления.  Совмещенные измерения температуры и влажности проводятся с использованием автоматического устройства HOBO ONSET:  U23-002. Датчики температуры и влажности устанавливаются на половине глубины протаивания. Периодичность измерений 1 час.

Мониторинг льдистости сезонноталого слоя

Исследования проводятся с целью установления корреляции льдистости сезонноталого слоя с погодой летне-осеннего периода и весенне-летним стоком рек. Наблюдения проводятся прямыми определениями  ̶  опробованием мерзлого сезонноталого слоя, и геофизическими методами (мини ВЭЗ).

В качестве вспомогательного оборудования при отборе льда и мерзлого грунта СТС применяются: металлическая труба (пробоотборник) 110х2,8 см с заточкой по кругу с одного конца; деревянный шомпол 120х2 см; кувалда 6 кг на жесткой рукояти; слесарный молоток; разводной ключ. Шомпол и трубу необходимо разметить яркой краской через 5 см.

Разрез сезонноталого слоя

Опробования целесообразно проводить при устоявшейся весенней погоде с температурой воздуха +5 - (-5) °С (май - первая декада июня). Профиля опробования расположить в крест простирания склонов в пределах типичных ландшафтов, изучаемых водосборных площадей. Точки опробования разметить с интервалом 50-100 м в зависимости от изменчивости рельефа по профилю. Опробование планируется проводить весной 2018, 2019, 2020, 2021 года.

Опробование мерзлого сезонноталого слоя
Опробование мерзлого сезонноталого слоя

Каждая точка фиксируется вешкой и координатами по GPS навигатору. Пробоотборник устанавливается вертикально и забивается кувалдой на необходимую глубину (5-7 см). При этом труба фиксируется на половины длины разводным ключом и проворачивается во время ее забивки на 30° в обе стороны. После забора керна труба извлекается. Керн выдавливается шомполом или выбивается с помощью шомпола и молотка на чистую ткань или лист фанеры, измеряется линейкой и упаковывается в металлическую бюксу с плотной крышкой. Рекомендуемый интервал опробования 15-45 см.

Далее в лаборатории бюкса взвешивается, с открытой крышкой высушивается 2 часа в сушильном шкафу при температуре 105 °С. После остывания до комнатной температуры бюкса снова взвешивается. С учетом веса пустой бюксы (определяется до начала опробования) вычисляется разность веса, рассчитывается весовая льдистость пробы (суммарная влажность - Wtot):

            (M1-M2)

Wtot =                  *100%

            (M1-Mb)

, где М1 - начальный вес пробы, М2 - вес сухой пробы, Mb вес пустой бюксы.

И рассчитывается объемная льдистость пробы (Ii):

            M1-M2-Mb

     I=                      *100%

           ρ2pR²h

               1

  W=                     M1i-M2i-Mbi

           2pR² 

  n

å

  1

, где ρw - плотность воды, R - радиус и h - длина керна. Кроме этого целесообразно будет рассчитать количество воды в СТС по опробованному интервалу в литрах на 1 м² и мм слоя. Например для расчета слоя воды в мм (Wh) будет удобна формула:

, в которой параметры керна задаются в метрах, а вес проб в кг.

Методика оценки льдистости геофизическими методами описана в разделе "Геофизические исследования".

Геофизические исследования
 

Геофизические методы используются в качестве вспомогательных для решения гидрологических и гидрометрических задач. В том числе методы георадиолокации планируется применить для определения размеров подрусловых таликов и выбора места для организации гидрометрических створов, методы сопротивлений (вертикального электрического зондирования и электрического профилирования) будут использованы для определения льдистости сезонноталого слоя и подстилающих его мерзлых отложений.

Методы георадиолокации

Технология применения метода подповерхностного георадиолокационного зондирования для изучения глубинного строения русла и поймы малых рек была отработана нами при изучении рек Казачка, Колби, Быстрая в 2012-2014 годах. Эффективность метода обусловлена контрастностью для электромагнитного зондирования границ мерзлого, талого и водонасыщенного аллювия рек. Глубина подруслового талика реки Казачка  оцененная по результатам георадиолокации в 16 м подтверждена бурением, по результатам которого глубина талика определена в 15 м.