Перспективы развития комплексных междисциплинарных гидролого-мерзлотных исследований на Северо-Востоке России

  • Ольга Михайловна Макарьева Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция, Российская Федерация, 685000, Магадан, ул. Портовая, 16; Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9
  • Наталия Вадимовна Нестерова Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция, Российская Федерация, 685000, Магадан, ул. Портовая, 16; Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9; Государственный гидрологический институт, Российская Федерация, 199004, Санкт-Петербург, 2-я линия В. О., 23
  • Андрей Алексеевич Осташов Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция, Российская Федерация, 685000, Магадан, ул. Портовая, 16
  • Анастасия Александровна Землянскова Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция, Российская Федерация, 685000, Магадан, ул. Портовая, 16; Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9
  • Владимир Евгеньевич Тумской Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Российская Федерация, 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36; Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, 1
  • Леонид Александрович Гагарин Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Российская Федерация, 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36
  • Алексей Анатольевич Екайкин Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9; Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Российская Федерация, 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38
  • Андрей Николаевич Шихов Пермский государственный национальный исследовательский университет, Российская Федерация, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
  • Владимир Владимирович Оленченко Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук, Российская Федерация, 630090, Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3
  • Иван Иванович Христофоров Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии наук, Российская Федерация, 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36

Аннотация

Потепление климата и антропогенное воздействие приводят к разнонаправленным изменениям геокриологических условий в речных бассейнах Северо-Востока России, в том числе трансформации процессов водообмена между поверхностными и подземными водами. Это проявляется в сезонном перераспределении составляющих водного баланса, ускорении стаивания наледей, изменении соотношения типов природных вод в структуре речного стока. Возрастают природные и антропогенные риски, влияющие на безопасное и эффективное развитие инфраструктуры и социально-экономических процессов. Система наблюдений, сложившаяся в советский период, была практически разрушена в регионе. В работе предлагается видение организации комплексных междисциплинарных исследований по оценке и прогнозированию изменений условий взаимодействия подземных и поверхностных вод в естественных и нарушенных речных бассейнах криолитозоны Северо-Востока России, в том числе для решения прикладных задач, основанных на подходах мерзлотоведения, гидрологии, гидрогеологии, ландшафтоведения и геофизики с применением методов дистанционного зондирования и полевых исследований, интегрированных с помощью математического моделирования. Для достижения поставленной цели проведена идентификация естественных и нарушенных ландшафтов с использованием данных дистанционного зондирования Земли, выбраны ключевые районы для детальных исследований. На площадках проведены геофизические и буровые работы по установлению многолетнемерзло-гидрогеологических условий, оборудованы станции мониторинга для определения гидрогеологических, гидрометеорологических и геокриологических характеристик, включая отбор проб для изотопных и гидрогеохимических исследований. В качестве основных ключевых объектов предлагается использовать район Колымской водно-балансовой станции и полигон на Анмангындинской наледи, для которых имеются многолетние ряды наблюдений, проведенных в XX веке. Полевые данные станут основой для совершенствования математической модели формирования стока. Математическое моделирование позволит количественно проанализировать водный баланс рек с учетом различных факторов и дать прогноз водообеспеченности как для конкретных промышленных объектов, так и для региона в целом.

Ключевые слова:

процессы водообмена, многолетняя мерзлота, речной сток, деятельный слой, талик, надмерзлотные воды, подземный сток, наледь, геофизика, дистанционное зондирование, математическое моделирование, мониторинг, изотопы, изменение климата, антропогенные возмущения, Северо-Восток России

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.
 

Литература

Åkerman, H. and Johansson, M. (2008). Thawing permafrost and thicker active players in sub-arctic Sweden. Permafrost and Periglacial Processes, 19 (3), 279-292.

Alekseyev, V. (2005). Landscape Indication of Aufeis Phenomena. Novosibirsk: Siberian Branch of Nauka Publ. (In Russian)

Alekseev, V. (2016). Long-term variability of the spring taryn-aufeises. Led i sneg, 56 (1), 73-92.

Federal service for hydrometeorology and environmental monitoring (Roshydromet). (2008). Assessment report on climate change and its consequences in Russian Federation [online]. Available at: http://climate2008.igce.ru/v2008/pdf/resume_ob_eng.pdf [Accessed Sep. 06, 2020].

Blöschl, G., et al. (2019). Changing Climate Both Increases and Decreases European River Floods. Nature 573, 108-111. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1495-6

Bolton, W. (2006). Dynamic modeling of the hydrologic processes in areas of discontinuous permafrost. PhD thesis. University of Alaska Fairbanks.

Brutsaert, W. and Hiyama, T. (2012). The determination of permafrost thawing trends from long-term streamflow measurements with an application in Eastern Siberia. Journal of Geophysical Research, 117, D22110. https://doi.org/10.1029/2012JD018344

Bukaev, N. (1966) The main regularities of the regime of giant aufeis in the upper reaches of the Kolyma river (on the example of the Anmangynda aufeis). Kolyma, 4, 9-12. (In Russian)

Burn, C. and Nelson, F. (2006). Comment on “A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century” by David M. Lawrence and Andrew G. Slater. Geophysical Research Letters, 33, L21503. https://doi.org/10.1029/2006GL027077

Crites, H., Kokeji, S. and Lacelle, D. (2020). Icings and groundwater conditions in permafrost catchments of northwestern Canada. Sci Rep., 10, 3283.

Ekajkin, A. (2016). Stable water isotopes in glaciology and paleogeography. St. Petersburg: AARI Publ. (In Russian)

Ensom, T., Alekseev, V., Kane, D., Makarieva, O., Marsh, P. and Morse, P. (2020). The distribution and dynamics of aufeis in permafrost regions. Permafrost and Periglacial Process, 1-13. http://doi. org/10.1002/ppp.205

Fang, X., Pomeroy, J., Ellis, C., MacDonald, M., DeBeer, C. and Brown, T. (2013). Multi-variable evaluation of hydrological model predictions for a headwater basin in the Canadian Rocky Mountains. Hydrology and Earth System Sciences, 17, 1635-1659.

Fang, X. and Pomeroy, J. (2020). Diagnosis of future changes in hydrology for a Canadian Rockies headwater basin. Hydrology and Earth System Sciences, 24, 2731-2754. https://doi.org/10.5194/hess-24-2731-2020

Fraser, R., McLennan, D., Ponomarenko, S. and Olthof, I. (2012). Image-based predictive ecosystem mapping in Canadian Arctic Parks, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 14, 129-138. https://doi.org/10.1016/j.jag.2011.08.013

Fedorov, A., Ivanova, R., Perk, H., Hiyama, T. and Iijima, Y. (2014). Recent air temperature changes in the permafrost landscapes of northeastern Eurasia, Polar Science, 8 (2), 114-128. http://dx.doi.org/10.1016/j.polar.2014.02.001

Gagarin, L. (2012). Research of thermo-suffosion processes in Central Yakutia. Nauka i obrazovanie, 2, 41-45. (In Russian)

Gagarin, L., Bazhin, K., Olenchenko, V., Ogonerov, V. and Cinbaj, V. (2019). Revealing potential thermo- suffosional soil loosening sites along A-360 Lena Federal highway, Central Yakutia. Kriosfera Zemli, 23 (3), 61-68. (In Russian)

Gagarin, L., Qingbai, W., Melnikov, A., Volgusheva, N., Tananaev, N., Jin, H., Zhang, Z. and Zhizhin, V. (2020). Morphometric analysis of groundwater icings: Intercomparison of estimation techniques. Remote Sensing, 12 (4), 692. https://doi.org/10.3390/rs12040692

Garagulja, L., Gordeeva, G. and Ospennikov, E. (2012). Role of geocryological processes in the formation and dynamics of geocryological ecosystems. Kriosfera Zemli, (16) 4, 31-41. (In Russian)

Grebenets, V., Streletskiy, D. and Shiklomanov, N. (2012). Geotechnical safety issues in the cities of Polar Regions. Geography, Environment, Sustainability, 5 (3), 104-119.

Harris, D., Cheung, C., Stawarz, Ł., Biretta, J. and Perlman, E. (2009). Hard X-ray Emission from the M87 AGN Detected with NuSTAR. The Astrophysical Journal, 699, 305.

Hinzman, L., Deal, C., Mcguire, A., Mernild, S., Polyakov, I. and Walsh, J. (2013). Trajectory of the Arctic as an integrated system. Ecological Applications, 23 (8), 1837-1868. https://doi.org/10.1890/11-1498.1

Holmes, R., Coe, M., Fiske, G., Gurtovaya, T., McClelland, J., Shiklomanov, A., Spencer, R., Tank, S. and Zhulidov, A. (2012). Climate Change Impacts on the Hydrology and Biogeochemistry of Arctic Rivers. In: Climatic Change and Global Warming of Inland Waters: Impacts and Mitigation for Ecosystems and Societies. Chichester, UK: John Wiley and Sons, Ltd. https://doi.org/10.1002/9781118470596.ch1

Aggarwal, P. K., Gat, J. R. and Froehlich, K. F. (eds.) (2005). Isotopes in the Water Cycle Past, Present and Future of a Developing Science. Netherlands: Springer.

Jepsen, S., Voss, C., Walvoord, M., Minsley, B. and Rover, J. (2013). Linkages between lake shrinkage/expansion and sublacustrine permafrost distribution determined from remote sensing of interior Alaska, USA. Geophysical Research Letters, 40, 882-887, https://doi.org/10.1002/grl.50187

Jones, B. and Arp, C. (2015). Observing a catastrophic thermokarst lake drainage in northern Alaska. Permafrost and Periglacial Processes, 26 (2), 119-128.

Joria, P. and Jorgenson, J. (1996). Comparison of three methods for mapping tundra with Landsat digital data. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 62, 163-169.

Kirpotin, S., Kolmakova, M., Polishchuk, Yu., Zakharova, E., Shirokova, L., Pokrovsky, O. and Dupre, B. (2008). One of the possible mechanisms of thermokarst lakes drainage in West-Siberian North. International journal of environmental studies, 65 (5), 631-635. https://doi.org/10.1080/00207230802525208

Kravcova, V. and Bystrova, A. (2009). Changes in thermokarst lake size in different regions of Russia for the last 30 years. Kriosfera Zemli, 13 (2), 16-26. (In Russian)

Khristoforov, I., Omelyanenko, A., Omelyanenko, P. and Overduin, P. (2018). Displacement Frequency Characteristics of Direct Transmission of GPR Signals in Borehole Measurements. GPR 2018: Proceedings of the Ground Penetrating Radar Conference. https://doi.org/10.1109/ICGPR.2018.8441543

Lawrence, D. and Slater, A. (2005). A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century. Geophysical Research Letters, 32, L24401. https://doi.org/10.1029/2005GL025080

Laudon, H., Spence, Ch., Buttle, J., Carey, S., McDonnell, J., McNamara, J., Soulsby, Ch. and Tetzlaff, D. (2017). Save northern high-latitude catchments. Nature Geoscience, 10 (5), 324-325.

Lebedeva, L., Bazhin, K., Hristoforov, I., Abramov, A., Pavlova, N., Efremov, V. S., Ogonerov, V. V., Tarbeeva, A. M., Fedorov, M. P., Nesterova, N. V. and Makarieva, O. M. (2019). Suprapermafrost subaerial taliks, Central Yakutia, Shestakovka River basin. Kriosfera Zemli, 23 (1), 40-50. (In Russian)

Lebedev, V. and Ipateva, A. (1980). Anmangynda aufeis, its regime and role in water balance of the river basin. In: Trudy DVNIGMI. Vol. 84. Hydrometeorological Research and Forecasting. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 86-93. (In Russian)

Lebedeva, L., Semenova, O. and Vinogradova, T. (2015). Calculation of seasonal thawing depth in different landscapes of the Kolyma water-balance station by means of hydrological model “Hydrograph”. Part 2. Kriosfera Zemli, 19 (2), 35-44. (In Russian)

Makarieva, O., Shikhov, A., Ostashov, A. and Nesterova, N. (2019). Icings of the Indigirka river basin according to the recent Landsat satellite images and historical data. Ice and Snow, 59 (2), 201-212. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-2-388 (In Russian)

Makarieva, O., Shikhov, A., Nesterova, N. and Ostashov, A. (2019). Historical and recent aufeis in the Indigirka River basin (Russia). Earth System Science Data, 11, 409-420. https://doi.org/10.5194/essd- 11-409-2019

Makarieva, O., Nesterova, N., Lebedeva, L. and Vinogradova, T. (2019). Modeling runoff formation processes in the high-mountain permafrost zone of Eastern Siberia (a case study of the Suntar-Hayata Range). Geography and natural resources, 1, 178-186.

Malevskij-Malevich, S., Molkentin, E., Nadezhina, E., Pavlova, T. and Semioshina, A. (2007). Modelling and analysis of opportunities for the experimental control of the evolution of permafrost thermal conditions. Kriosfera Zemli, 11 (1), 29-36. (In Russian) Available at: http://www.izdatgeo.ru/pdf/ krio/2007-1/29.pdf [Accessed Mar. 04, 2021].

Marsh, C., Pomeroy, J. and Wheater, H. (2020). The Canadian Hydrological Model (CHM) v1.0: a multi- scale, multi-extent, variable-complexity hydrological model - design and overview. Geoscientific Model Development, 13, 225-247. https://doi.org/10.5194/gmd-13-225-2020

Morse, P. and Wolfe, S. (2015). Geological and meteorological controls on icing (aufeis) dynamics (1985 to 2014) in subarctic Canada. Geophysical Research: Earth Surface, 120, 1670-1686.

Olenchenko, V., Gagarin, L., Khristoforov, I., Kolesnikov, A. and Efremov, V. (2017). The Structure of a site with thermo-suffosion processes within Bestyakh terrace of the Lena river, according to geophysical data. Kriosfera Zemli, 21 (5), 16-26.

Olenchenko, V., Cibizov, L., Kartozija, A. and Esin, E. (2019). Electrical resistivity tomography of drained thermokarst lake basin on Kurungnakh island in the Lena river delta. Problemy Arktiki i Antarktiki, 65 (1), 92-104. (In Russian)

Osterkamp, T. (2005). The recent warming of permafrost in Alaska. Global Planet Change, 49, 187-202.

Pomeroy, J., Gray, D. and Brown, T. (2007). The cold regions hydrological model: a platform for basing process representation and model structure on physical evidence. Hydrological Processes, 21, 2650- 2667.

Quinton, W., Hayashi, M. and Chasmer, L. (2011). Permafrost-thaw-induced land-cover change in the Canadian subarctic: Implications for water resources, Hydrological Processes, 25 (1), 152-158.

Romanovsky, V., Smith, S. and Christiansen, H. (2010). Permafrost thermal state in the polar Northern Hemisphere during the International Polar Year 2007-2009: A synthesis, Permafrost Periglacial Process, 21, 106-116. https://doi.org/10.1002/ppp.689

Schramm, I., Boike, J., Bolton, W. and Hinzman, L. (2007). Application of TopoFlow, a spatially distributed hydrological model, to the Imnavait Creek watershed, Alaska. Geophysical Research, 112, G04S46. https://doi.org/10.1029/2006JG000326

Selin, V., Vasil’ev, V. and Shirokova, L. (2011). Russian Arctic: geography, economy, zoning. Apatity: Kola Scientific Center, RAS. (In Russian)

Semenova (Makarieva), O., Lebedeva, L. and Vinogradov, Yu. (2013). Simulation of subsurface heat and water dynamics, and runoff generation in mountainous permafrost conditions, in the Upper Kolyma River basin, Russia. Hydrogeology Journal, 21 (1), 107-119. https://doi.org/10.1007/s10040-012-0936-1

Semenova (Makarieva), O., Vinogradov, Yu., Vinogradova, T. and Lebedeva, L. (2014). Simulation of Soil Profile Heat Dynamics and their Integration into Hydrologic Modelling in a Permafrost Zone. Permafrost and Periglacial Processes, 25 (4), 257-269. https://doi.org/10.1002/ppp.1820

Shepelev, V. (2011). Suprapermafrost Water in the Cryolithozone. Novosibirsk: Geo Publ. (In Russian)

Sherstyukov, A. and Sherstyukov, B. (2015). Spatial features and new trends in thermal conditions of soil and depth of its seasonal thawing in the permafrost zone. Russian Meteorology and Hydrology, 40, 73-78. https://doi.org/10.3103/S1068373915020016

Sosnovsky, A. (2006). Mathematical modelling of the influence of snow cover thickness on degradation of permafrost at climate warming. Kriosfera Zemli, 10, 83-88. (In Russian) Available at: http://www.izdatgeo.ru/pdf/krio/2006-3/83.pdf [Accessed Mar. 04, 2021].

Streletskiy, D., Shiklomanov, N. and Hatleberg, E. (2012). Infrastructure and a Changing Climate in the Russian Arctic: A Geographic Impact Assessment. Proceedings of the 10th International Conference on Permafrost, 1, 407-412.

Swanson, D. (2019). Thermokarst and precipitation drive changes in the area of lakes and ponds in the National Parks of northwestern Alaska, 1984-2018. Arctic Antarctic and Alpine Research, 51, 265-279.

Tananaev, N., Makarieva, O. and Lebedeva, L. (2016). Trends in annual and extreme flows in the Lena River basin, Northern Eurasia. Geophysical Research Letters, 43, 20136. https://doi.org/10.1002/2016GL070796

Tetsuya, H., Kazuyoshi, A., Kolesnikov, A., Gagarin, L. and Shepelev, V. (2013). Estimation of the residence time of permafrost groundwater in the middle of the Lena River basin, Eastern Siberia. Environmental Research Letters, 8 (3). Available at: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/8/3/035040 [Accessed Mar. 04, 2021].

Tregubov, O., Gartsman, B., Lebedeva, L., Nuteveket, M., Tarbeeva, A., Uyagansky, K., Shekman, E. and Shepelev, V. (2020). Landscape-permafrost conditions and factors of summer runoff formation of small coastal lowland rivers. E3S Web Conf. Vol. 163 IV Vinogradov Conference “Hydrology: from Learning to Worldview” in Memory of Outstanding Russian Hydrologist Yury Vinogradov”. https://doi. org/10.1051/e3sconf/202016305015

USGS Data Site (n. d.). [online] Available at: https://earthexplorer.usgs.gov/ [Accessed May 31, 2020].

Virtanen, T., Mikkola, K. and Nikula, A. (2004). Satellite image based vegetation classification of a large area using limited ground reference data: A case study in the Usa basin, north-east European Russia. Polar Research, 23, 51-66. https://doi.org/10.3402/polar.v23i1.6266

Walvoord, M. and Striegl, R. (2007). Increased groundwater to stream discharge from permafrost thawing in the Yukon River basin: Potential impacts on lateral export of carbon and nitrogen. Geophysical Research Letters, 34 (12). https://doi.org/10.1029/2007GL030216

Yang, D. and Kane, D. (2020). Arctic Hydrology, Permafrost and Ecosystems. Springer. Available at: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-50930-9 [Accessed Mar. 04, 2021].

Yoshikawa, K. and Hinzman, L. (2003). Shrinking thermokarst ponds and groundwater dynamics in discontinuous permafrost near council, Alaska. Permafrost Periglacial Process, 14 (2), 151-160.

Опубликован
2021-01-28
Как цитировать
Макарьева, О. М., Нестерова, Н. В., Осташов, А. А., Землянскова, А. А., Тумской, В. Е., Гагарин, Л. А., Екайкин, А. А., Шихов, А. Н., Оленченко, В. В. и Христофоров, И. И. (2021) «Перспективы развития комплексных междисциплинарных гидролого-мерзлотных исследований на Северо-Востоке России», Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 66(1). doi: 10.21638/spbu07.2021.105.