Двухкомпонентное расчленение гидрографа реки Протвы

Выполнено расчленение стока р. Протвы графоаналитическим методом при помощи программного комплекса GrWat для 2009, 2010, 2011, 2019 и 2020 гг. на быструю и базисную составляющие. Данный алгоритм позволяет автоматически отделять весеннее половодье, базисный сток, дождевые и оттепельные паводки в зависимости от особенностей водного режима и использует метеоданные ре-анализа. Для отдельных дней летней межени выполнено изотопное расчленение стока на два генетических компонента – грунтовые воды и атмосферные осадки. Изотопное расчленение выполнено балансовым уравнением по значениям δ18О, определенным в речном стоке и выходах грунтовых вод. За изотопный состав кислорода атмосферных осадков принимались среднемесячные значения δ18О Москвы. Для летней межени в алгоритме происходит расчленение на быстрый (атмосферные осадки, поверхностный сток) и базисный сток. Отчленяемый в алгоритме GrWat базисный сток представляет собой все подземное питание и состоит из собственно грунтовых вод и вод верховодки. В изотопном методе оценка грунтовой составляющей не включает верховодку. Таким образом, применяя совместно оба метода расчленения, можно оценить, какую долю в базисном стоке имеют воды верховодки. Целью исследования являлось установление характера формирования базисного стока р. Протвы и оценка объемов грунтового питания, атмосферных осадков и вод, поступающих в основное русло через почвенные горизонты (верховодку) в условиях летней межени. Установлено, что вклад грунтовой составляющей в базисный сток составляет около 70–80%, а 20–30% базисного стока формируется атмосферными осадками, поступающими через верховодку. Изучение формирования базисного стока и отчленение его в автоматизированном алгоритме GrWat актуально для водосборов с нерегулярными наблюдениями. Эта актуальность возрастает в условиях резких межгодовых изменений водного режима, вызванных изменениями климата.

1. Владимиров А.М. Сток рек в маловодный период года. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 265 с.

2. Воронков П.П. Гидрохимические обоснования выделения местного стока и способ расчленения его гидрографа // Метеорология и гидрология. 1986. № 8. С. 21–28.

3. Губарева Т.С., Гарцман Б.И., Шамов В.В., Луценко Т.Н., Болдескул А.Г., Кожевникова Н.К., Лупаков С.Ю. Компоненты стока малых водосборов Сихотэ-Алиня: обобщение результатов полевых измерений и трассерного моделирования // Известия РАН. Серия географическая. 2019. № 6. С. 126–140.

4. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Рец Е.П., Бугров А.А. Особенности формирования современных ресурсов подземных вод европейской части России // Водные ресурсы. 2015. Т. 42. № 5. С. 457–466.

5. Евстигнеев В.М. Речной сток и гидрологические расчеты. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. 304 с.

6. Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1960. 343 c.

7. Личков Б.Л. Природные воды земли и литосферы. Л.: Изд-во АН СССР, 1960. 164 c.

8. Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Волги: научно-прикладной справочник / под ред. В.Ю. Георгиевского. Ливны: Издатель Мухаметов Г.В., 2015. 467 с.

9. Попов О.В. Подземное питание рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 290 с.

10. Руководство по гидрологическим прогнозам. Вып. 1. Долгосрочные прогнозы элементов водного режима рек и водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 358 с.

11. Чижова Ю.Н., Буданцева Н.А., Ефимова Л.Е., Лукьянова А.Н., Суркова Г.В., Васильчук Ю.К. Изотопно-кислородный состав осадков и воды в речной системе средней Протвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2013. № 2. С. 84–93.

12. Чижова Ю.Н., Еремина И.Д., Буданцева Н.А., Суркова Г.В., Васильчук Ю.К. Содержание 18О в атмосферных осадках Москвы в 2014 г. // Метеорология и гидрология. 2017. № 1. С. 78–90.

13. Dinçer T., Payne B.R., Florkowski T., Martinec J., Tongiorgi E. Snowmelt runoff from measurements of tritium and oxygen-18, Water Resources Research, 1970, vol. 6(1), p. 110–124, DOI: 10.1029/WR006i001p00110.

14. Burns D.A. Stormflow-hydrograph separation based on isotopes: the thrill is gone – what’s next? Hydrological Processes, 2002, vol. 16, p. 1515–1517, DOI: 10.1002/hyp.5008.

15. Buttle J.M. Isotope hydrograph separations and rapid delivery of pre-event water from drainage basins, Prog. Phys. Geogr., 1994, vol. 18, p. 16–41.

16. Eckhardt K. How to Construct Recursive Digital Filters for Baseflow Separation, Hydrological Processes, 2005, vol. 19(2), p. 507–515.

17. Fischer B.M.C., Meerveld van H.J.I., Seibert J. Spatial variability in the isotopic composition of rainfall in a small headwater catchment and its effect on hydrograph separation, Journal of Hydrology, 2017, no. 547, p. 755–769.

18. Freeze R.A. Role of subsurface flow in generating surface runoff: 2. Upstream source areas, Water Resources Research, 1972, vol. 8(5), p. 1272–283, DOI: 10.1029/wr008i005p01272.

19. Fritz P., Cherry J., Weyer K., Sklash M. Storm runoff analyses using environmental isotopes and major ions, Interpretation of Environmental Isotope and Hydrochemical Data in Groundwater, Panel Proceedings Series-International Atomic Energy Agency, International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria, 1976, p. 111–130.

20. Goodrich D.C., Faurès J.-M., Woolhiser D.A., Lane L.J., Sorooshian S. Measurement and analysis of small-scale convective storm rainfall variability, Journal of Hydrology, 1995, vol. 173, p. 283–308, DOI: 10.1016/0022-1694(95)02703-R.

21. Hall F.R. Base flow recessions – a review, Water Resources Research, 1968, vol. 4(5), p. 973–983.

22. Herrmann A., Stichler W. Groundwater-runoff relationships, Catena, 1980, no. 7, p. 251–263.

23. Hubert P., Marin E., Meybeck M., Olive E.S. Aspects Hydrologique, Geochimique et Sedimentologique de la Crue Exceptionnelle de la Dranse du Chablais du 22 Septembre 1968, Arch. Sci (Geneve), 1969, no. 3, p. 581–604.

24. Katsuyama M., Yoshioka T., Konohira E. Spatial distribution of oxy gen-18 and deuterium in stream waters across the Japanese archipelago, Hydrology and Earth System Sciences, 2015, vol. 19, p. 1577–1588, DOI: 10.5194/hess-19-1577-2015.

25. Kireeva M.B., Rets E.P., Frolova N.L., Samsonov T.E., Povalishnikova E.S., Entin A.L., Durmanov I.N., Ivanov A.M. Occasional floods on the rivers of Russian plain in the 20th – 21st centuries, Geography, Environment, Sustainability, 2020, vol. 13, no. 2, p. 84–95.

26. Klaus J., McDonnell J.J. Hydrograph separation using stable isotopes: Review and evaluation, Journal of Hydrology, 2013, vol. 505, p. 47–64, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2013.09.006.

27. Klaus J., Zehe E., Elsner M., Külls C., McDonnell J.J. Macropore flow of old water revisited: experimental insights from a tile-drained hillslope, Hydrology and Earth System Sciences, 2013, vol. 17, p. 103–118, DOI: 10.5194/hess17-103-2013.

28. Ladson A.R., Brown R., Neal B., Nathan R. A Standard Approach to Baseflow Separation Using the Lyne and Hollick Filter, Australian Journal of Water Resources, 2013, DOI: 10.7158/W12-028.2013.17.1.

29. Laudon H., Hemond H.F., Krouse R., Bishop K.H. Oxygen 18 fractionation during snowmelt: Implications for spring flood hydrograph separation, Water Resources Research, 2002, vol. 38, p. 40-1–40-10, DOI:10.1029/2002WR001510.

30. McDonnell J.J., Beven K. Debates – The future of hydrological sciences: A (common) path forward? A call to action aimed at understanding velocities, celerities and residence time distributions of the headwater hydrograph, Water Resources Research, 2014, vol. 50, p. 5342–5350, DOI: 10.1002/2013WR015141.

31. Nathan R.J., McMahon T.A. Evaluation of Automated Techniques for Baseflow and Recession Analysis, Water Resources Research, 1990, vol. 26(7), p. 1465–1473.

32. Schürch M., Kozel R., Schotterer U., Tripet J.P. Observation of isotopes in the water cycle – the Swiss National Network (NISOT), Environ. Geol., 2003, vol. 45, p. 1–11, DOI: 10.1007/s00254-003-0843-9.

33. Seeger S., Weiler M. Reevaluation of transit time distributions, mean transit times and their relation to catchment topography, Hydrology and Earth System Sciences, 2014, vol. 18, p. 4751–4771, DOI: 10.5194/hess-18-4751-2014.

34. Segura C., Noone D., Warren D., Jones J., Tenny J., Ganio L. Climate, landforms, and geology affect baseflow sources in a mountain catchment, Water Resources Research, 2019, vol. 55, DOI: 10.1029/ 2018WR023551.

35. GNIP Database, Global Network of Isotopes in Precipitation, IAEA/WMO, 2020, URL: https://nucleus.iaea.org/wiser (дата обращения 01.10.2020).