The factors of suspended sediment concentration increasing in the Lena River delta

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В дельтах воздействие противоположно направленных потоков вещества и энергии (с одной стороны, связанные с речными факторами, а с другой – с морскими) определяет изменение стока наносов. В крупнейшей арктической дельте р. Лены эти процессы осложнены климатически обусловленным разрушением многолетнемерзлых пород, которые деградируют в результате увеличения температуры воздуха в арктических широтах [5].

На сегодняшний день для этого региона доступны лишь эпизодические данные о мутности воды и стоке наносов, основанные на экспедиционных исследованиях, которые проводились здесь с середины XX в. учеными ААНИИ, МГУ, Тиксинской ЦГМС, ГГИ и СПбГУ, а также в рамках Российско-Германских экспедиций [1, 2, 4, 6, 7, 9–14, 21, 22]. Результаты работ иллюстрировали лишь отдельные ситуации изменения мутности воды и приводили к противоположным выводам.

Первые систематические оценки стока взвешенных наносов были сделаны на основе применения методик обработки спутниковых снимков и выявили тенденцию к продольному увеличению мутности воды [16, 17, 20]. Данная особенность преимущественно характеризирует участки Трофимовской и Оленекской проток. Причины и факторы продольного увеличения мутности в дельте Лены ранее описаны не были. Предполагалось, что они могут быть связаны с синоптическими факторами, термоэрозионными процессами, влиянием водности [9, 18].

В данной статье рассматриваются возможные факторы изменения стока взвешенных наносов в дельте Лены: 1) метеорологические и синоптические; 2) гидрологические; 3) русловые. Задачи статьи, таким образом, следующие: 1) создание базы данных по факторам и характеристикам распределения мутности воды по рукавам дельты Лены; 2) на основе различных ситуаций распределения мутности анализ влияния на мутность воды в рукавах дельты температуры воздуха, осадков, ветра, солнечной радиации, температуры многолетнемерзлых пород; 3) анализ влияния расходов и мутности воды в вершине дельты; 4) изучение вклада интенсивности отступания берегов.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

Дельта р. Лены – крупнейшая по площади и числу рукавов в России и Арктике. Площадь дельты, по разным оценкам, достигает 32 тыс. км². Четыре основных направления стока – рукава – Быковская, Трофимовская, Туматская и Оленекская протоки; они и 6000 малых проток образуют обширную дельту выполнения, которая выдвигается в море Лаптевых и простирается на 190 км с юга на север и на 250 км с запада на восток.

Вершиной дельты в работе принимается первый узел разветвления – о. Тит-Ары, который разделяет реку на два рукава: главное русло и Булкурскую протоку. У о. Столб река разбивается на четыре основных рукава: Быковскую, Трофимовскую, Оленёкскую и Туматскую протоки, образующие одноименные сектора дельты. Здесь основной сток резко поворачивает к северо-востоку и переходит в рук. Трофимовская протока, длина которой составляет 142 км от о. Столб. В этой части дельты расположен крупнейший ледовый комплекс – о. Собо-Сисе.

У о. Столб сток резко поворачивает и к юго-востоку по Быковской протоке, принимая практически обратное направление стоку реки выше о. Столб. Здесь формируется Быковская протока длиной 103 км от о. Столб до мыса Быкова. Сектор Быковской протоки характеризуется меньшей площадью островов и количеством проток. Разветвления здесь начинают формироваться при выходе в приморскую часть. Острова и протоки приурочены к обширной мелководной левобережной части, правый берег представлен выходами коренных пород Хараулахского хребта.

Центральный сектор дельты – сеть Туматских проток, берет свое начало от о. Самойловского. Русло в этой части дельты более узкое и неглубокое, разбивается на многочисленные протоки.

Западная часть дельты представлена самым длинным рукавом дельты – Оленекской протокой, которая берет начало у о. Столб и протекает на 210 км до устьевого бара. Правый берег в основном представлен выходами ледового комплекса на островах Курунгнах, Харданг-Сисе; левый берег – коренными породами кряжа Чекановского.

Сток воды в течение года распределяется очень неравномерно. В фазу повышенной водности проходит 60–90% годового стока воды и 75–95% годового стока взвешенных наносов. Сток взвешенных веществ по главным рукавам дельты распределяется пропорционально стоку воды [8].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для оценки концентрации взвешенных наносов в работе применены спутниковые алгоритмы по снимкам Landsat. Всего в работе использовано 75 спутниковых снимков Landsat 5, 7, 8 и 9 за период с 2000 по 2022 г., полученных на периоды открытого русла (с июня по сентябрь), когда расходы воды в вершине дельты составляли от 17 400 до 78 100 м³/с. Однако максимальные расходы воды в дельте могут достигать 220 000 м³/с. Прохождение половодья и затопление поймы происходят в ледовых условиях, поэтому снимки, приходящиеся на период повышенного стока, не учитывались в исследовании ввиду скопления льда в русле и отсутствия чистой водной поверхности, необходимой для анализа. Полученная величина характеризирует условия летнего половодья и летне-осенней межени, на которые приходится 60–90% годового стока и 75–95% годового стока взвешенных наносов р. Лена.

Моделирование мутности воды проводилось на основе методики, подробно описанной в работе [18]. К каждому спутниковому снимку применялось уравнение зависимости между коэффициентом отражения ρ пикселя снимка в красном спектре и концентрации взвешенных наносов SSC (мг/л). Таким образом, коэффициент отражения ρ каждого пикселя спутникового снимка, попадающего на водную поверхность, автоматически (с помощью программного кода в Google Earth Engine) коэффициент пересчитывался в SSC с использованием уравнения, полученного авторами статьи на основе полевых данных, собранных в дельте Лены в 2022 г. [9, 16]:

$SSC=1512.1\rho -\mathrm{25.0.}$ (1)

Концентрации взвешенных наносов в магистральных рукавах рассчитывались по значениям, осредненным для полигонов, расположенных в соответствующих частях дельты: 1) в вершине дельты; в протоках: 2) Быковской; 3) Трофимовской; 4) Туматской; 5) Оленекской (рис. 1). Участки расчета выделены в пределах дельтовой области на отдалении от морского края с целью минимизировать влияние сгонно-нагонных явлений со стороны моря.

Рис. 1. Картосхема исследуемого объекта. Полигонами указаны участки расчета концентраций взвешенных веществ и метеорологических параметров.

Для расчета расходов взвешенных наносов использованы результаты обработки данных акустического доплеровского профилографа течений. Эмпирическая зависимость вертикального распределения мутности воды позволяет перейти от поверхностной мутности SSC_пов к средней мутности SSC_ср по вертикали [3]:

$SS{C}_{ср}=1.02SS{C}_{пов}-\mathrm{13.9.}$ (2)

Расход взвешенных наносов R (кг/с) (3) вычислялся как произведение средней мутности по вертикали SSC_ср (мг/л) и расхода воды на участке Q (м³/с):

$R=SS{C}_{ср}\times Q.$ (3)

Расходы воды на участках расчета средней мутности брались в соответствии с изменчивостью распределения стока воды по рукавам в зависимости от расхода воды в вершине дельты, согласно данным, приведенным в работах [8, 9]. Расход воды Q в вершине дельты рассчитывался на основе данных в замыкающем створе р. Лены (г/п Кюсюр) с учетом времени добегания 2 дня.

Далее проводился расчет относительного изменения мутности воды ΔS (%) на участке “вершина дельты – магистральный рукав” по формуле:

$\Delta S= \raisebox{1ex}{$\left(SS{C}_{МР}-SS{C}_{ВД}\right)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$SS{C}_{ВД}$}\right. ,$ (4)

где ΔS – относительное изменение мутности воды (%), SSC_МР – мутность воды в магистральном рукаве (мг/л), SSC_ВД – мутность воды в вершине дельты (мг/л).

Отдельно рассматриваются ситуации положительных (ΔS > 0 – мутность воды продольно увеличивается) и отрицательных (ΔS < 0 – продольно уменьшается) изменений концентраций взвешенных веществ.

Для оценки метеорологических факторов использованы данные реанализа ERA5-Land. В работе задействованы следующие данные: 1) средняя температура воздуха на высоте 2 м от водной поверхности или суши (°C); 2) сумма осадков (мм); 3) суммарный поток солнечной радиации (Вт/м²); 4) средняя скорость ветра (м/с), – рассчитывались как среднее для анализируемых участков, аналогичных расчетам концентрации взвешенных веществ (рис. 1). Также привлекались данные о температуре многолетнемерзлых пород на поверхности и на глубине 0.75 м по станции о. Самойловский [15]. Помимо метеорологических величин, рассчитанных на дату получения снимка, в работе анализировались их суммы и средние за 3, 5 и 7 сут, предшествующих дате снимка, по которому проводился расчет изменения мутности воды.

Оценка интенсивности разрушений берегов установлена по дешифрированию спутниковых снимков за период с 2000 по 2021 г. Расчеты проводились с использованием серии спутниковых снимков Landsat 7 за 2000 г. и Landsat 8 за 2021 г., сделанных при средних и сходных расходах воды, проходящих в пределах бровок пойм. Отобраны два снимка с минимальной облачностью: первый получен с Landsat 7 27.06.2000 при расходах воды 37900 м³/с, второй – Landsat 8 от 17.06.2021 при расходах воды 38200 м³/с. Спутниковыми снимками полностью охвачена центральная часть дельты, участки Оленекской и Быковской проток, большая часть Трофимовской и Туматской проток. Из анализа исключена северная часть дельты площадью 3.3 км² ввиду локальной облачности на снимке 2021 г.

Анализ возможного влияния русловых переформирований на сток взвешенных наносов проводился на основе составления карт полей мутности и дешифрирования отступаний берегов. Масштаб определения скорости переформирования соответствует разрешению снимков. Полученные площадные данные размывов осреднялись для ячеек регулярной сетки 5 км на 5 км, размер этой сетки обусловлен большой площадью дельты Лены (анализируемый участок составляет ~28 тыс. км²). Далее в каждой ячейке сетки проводился расчет суммы береговых разрушений (км²) и среднего значения мутности (мг/л).

Для анализа возможного влияния метеорологических (суммы и средние за 1, 3, 5 и 7 сут для температуры воздуха, мерзлоты на глубинах 0 и 0.75 м, количества осадков, солнечной радиации и скорости ветра), гидрологических (расход воды в вершине дельты с учетом времени добегания от г/п Кюсюр) и русловых (суммарные площади разрушений берегов за период с 2000 по 2021 г.) факторов на трансформацию стока взвешенных наносов на участке “вершина дельты – магистральный рукав” рассчитывался коэффициент корреляции r_{ΔSфактор} между факторами и относительными изменениями мутности воды по длине каждой из четырех основных проток:

$R_{\Delta S фактор}=\frac{\sum \left(\Delta S_i-\overline{\Delta S}\right)\left(Факто{р}_i-\overline{Фактор}\right)}{\sqrt{\sum {\left(\Delta S_i-\overline{\Delta S}\right)}^2}\sqrt{\sum {\left(Факто{р}_i-\overline{Фактор}\right)}^2}}$, (5)

где ΔS_i – значения относительного изменения мутности на участке “вершина дельты – магистральный рукав” за дату i, $\overline{\Delta S}$ – среднее значение изменения мутности в базе данных; Фактор_i – значение фактора за дату i, $\overline{Фактор}$ – среднее значение фактора в базе данных.

Для определения статистической значимости корреляций использовался t-критерий Стьюдента на уровне значимости α = 5 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Общие закономерности распределения мутности воды в дельте

На основе расчетов продольного изменения мутности воды по четырем основным протокам дельты Лены (4) получено ее среднее изменение с учетом распределения стока воды за период с 2000 по 2022 г. (рис. 2), оцениваемое в диапазоне 2.4–4.8%. В Трофимовской протоке наблюдается преобладание случаев продольного увеличения мутности воды (в 25 случаях из 40), объясняемых в [16, 19] развитием термоэрозионных процессов в этой части дельты, отличающейся максимальным развитием ледового комплекса. В остальных протоках, меньших по водности, чаще бывают ситуации продольного уменьшения мутности. Из 69 случаев продольного уменьшения мутности в Оленекской и Туматской протоках был 41 случай повышения мутности, которые в большинстве случаев приурочены к прохождению максимальных расходов воды. Эти протоки имеют наибольшее количество неглубоких и нешироких ответвлений, теряющих водообмен с ближайшими протоками при установлении меженных уровней [1], что, предположительно, определяет аккумулятивный режим этих частей дельты, особенно в межень. Для Быковской протоки характерны, в целом, очень незначительные изменения мутности воды.

Рис. 2. Количественная характеристика изменения мутности по рукавам дельты с учетом перераспределения стока по рукавам.

Создана база данных суточных величин изменений мутности воды по длине рукавов дельты за даты доступных снимков Landsat и соответствующих количественных оценок возможных факторов, влияющих на трансформацию стока взвешенных наносов. Их сопоставление выполнено на основе корреляционного анализа (5).

Метеорологические и синоптические факторы

При анализе всей выборки (табл. 1) обнаруживается высокая корреляция (r > 0.70) между продольным изменением мутности в Оленекской протоке (ΔS_Олен, %) и количеством осадков за один день:

$\Delta S_{Олен}=9.96 P_{1 } - 23.1$, r = 0.77, (6)

где P₁ – суммарное количество осадков за 1 день (мм).

Таблица 1. Корреляционный анализ изменений мутности воды по рукавам дельты и метеорологических и гидрологических параметров (статистически значимые корреляций согласно t-критерию Стьюдента на уровне значимости α = 5% выделены жирным)

Корреляция > 0.50 свойственна связи продольных изменений мутности воды в Туматской протоке (ΔS_Тумат, %) и среднесуточной и средней скорости ветра за 1 и 3 сут. Полученные связи между параметрами статистически значимы согласно t-критерию Стьюдента и имеют вид:

$\Delta S_{Тумат}=10.4 {\overline{U}}_{1 } - 63.7$, r = 0.59, (7)

$\Delta S_{Тумат}=12.3 {\overline{U}}_{3 }- 73.8$, r = 0.58, (8)

${\overline{U}}_{1 }$– средняя скорость ветра за 1 сут (м/с); ${\overline{U}}_{3 }$ – средняя скорость ветра за 3 сут (м/с).

Также корреляция высокая (> 0.50) для связи продольного изменения мутности в Оленекской протоке (ΔS_Олен, %) и температуры мерзлоты на глубине 0.75 м, а также ее сумм за 3, 5 и 7 сут. Они статистически значимы согласно t-критерию Стьюдента и имеют вид:

$\Delta S_{Олен}= 23.9 \sum T{\left(мерз\right)}_1 - 43.8$, r = 0.56, (9)

$\Delta S_{Олен}= 8.31 \sum T{\left(мерз\right)}_3 - 43.6$, r = 0.57, (10)

$\Delta S_{Олен}= 4.83 \sum T{\left(мерз\right)}_5 - 41.9$, r = 0.56, (11)

ΣТ(мерз)₁ – сумма значений температуры мерзлоты на глубине 0.75 м за 1 сут (°С), ΣТ(мерз)₃ – сумма значений температуры мерзлоты на глубине 0.75 м за 3 сут (°С), ΣТ(мерз)₅ – сумма значений температуры мерзлоты на глубине 0.75 м за 5 сут (°С).

Тенденции (0.25 < | r | < 0.50) в зависимости продольного увеличения мутности от метеорологических факторов прослеживаются для различных вариаций температуры воздуха, скорости ветра, солнечной радиации в Быковской протоке. Статистически значимые связи ΔS_Бык (%) в этой протоке с суммарной 5- и 7-дневной температурой воздуха, а также со средними скоростями ветра за 5 сут и суммой солнечной радиации описываются уравнениями:

$\Delta S_{Бык}=0.52\sum T{\left(воздуха\right)}_5 - 33.5$, r = 0.31, (12)

$\Delta S_{Бык}=0.46 \sum T{\left(воздуха\right)}_7 -33.5$, r = 0.32, (13)

$\Delta S_{Бык}=11.9{\overline{U}}_{5 } - 63.2$, r = 0.34, (14)

$\Delta S_{Бык}=0.2942 \sum W_1- 48.2$, r = 0.37, (15)

$\Delta S_{Бык}=0.1015\sum W_3 - 45.8$, r = 0.38, (16)

$\Delta S_{Бык}=0.0672\sum W_5 - 46.3$, r = 0.40, (17)

$\Delta S_{Бык}=0.0528\sum W_7 - 47.8$, r = 0.40, (18)

где ΣТ(воздуха)₅ – сумма значений температуры воздуха за 5 сут (°С); ΣТ(воздуха)₇ – сумма значений температуры воздуха за 7 сут (°С); ${\overline{U}}_{5 }$ – средняя скорость ветра за 5 сут (м/с); ΣW₁ – суммарный поток солнечной радиации за 1 сут, ΣW₃ – сумма потока солнечной радиации за 3 сут (Вт/м²); ΣW₅ – сумма потока солнечной радиации за 5 сут (Вт/м²); ΣW₇ – сумма потока солнечной радиации за 7 сут (Вт/м²).

Статистически значимые корреляции от 0.32 до 0.44 также установлены для Трофимовской (ΔS_Трофим, %) и Оленекской (ΔS_Олен, %) проток при анализе разной скорости ветра:

$\Delta S_{Трофим}=9.99 {\overline{U}}_{3 } - 37.2$, r = 0.40, (19)

$\Delta S_{Трофим}=8.98 {\overline{U}}_{5 } - 33.0$, r = 0.32, (20)

$\Delta S_{Олен}=7.45 {\overline{U}}_{1 } - 43.8$, r = 0.43, (21)

$\Delta S_{Олен}=9.29 {\overline{U}}_{3 } - 53.9$, r = 0.44, (22)

$\Delta S_{Олен}=9.42 {\overline{U}}_{5 } - 55.5$, r = 0.34, (23)

где ${\overline{U}}_1$ – средняя скорость ветра за 1 сут (м/с); ${\overline{U}}_{3 }$ – средняя скорость ветра за 3 сут (м/с); ${\overline{U}}_{5 }$ – средняя скорость ветра за 5 сут (м/с).

Для выявления факторов, повышения мутности воды на участках расчета, отдельно проанализированы ситуации с продольным увеличением мутности, т. е. при ΔS > 0. В отличие от общей выборки по всем изменениям мутности воды ((6)–(23)) для случаев увеличения мутности воды более четко прослеживается значимость влияния солнечной радиации; в частности, в Оленекской протоке приводящей к корреляции 0.50 < | r | < 0.70. Значения коэффициента корреляции увеличиваются от r = 0.52 для среднесуточного потока радиации до r = 0.66 для суммарного потока за 5 дней до даты получения снимка. Несколько меньшее влияние солнечной радиации отмечено в протоках Быковской и Туматской, где r максимален для пятидневных сумм потока солнечной радиации (0.46 и 0.45 соответственно). В Туматской протоке продольное увеличение мутности зависит от суммарных за 5 и 7 дней значений среднесуточной температуры воздуха (r – 0.42 и 0.43). Также для Туматской протоки коэффициент корреляции находится в пределах 0.30–0.50 для пяти- и семидневных сумм температуры мерзлоты на поверхности (r = 0.31). Невысокие значения связи также наблюдаются между рядами температуры мерзлоты на глубине 0.75 м и продольного увеличения мутности воды в Быковской протоке (r – 0.33–0.35).

Также рассматривались ситуации в Трофимовской протоке, при которых продольное увеличение мутности принимает максимальные значения (ΔS > 10%). В этом случае на сток взвешенных наносов начинает оказывать влияние среднесуточная температура и ее сумма за пятидневный период. Коэффициент корреляции увеличивается до 0.34.

При отдельном анализе ситуаций продольного уменьшения мутности воды вдоль рукавов обнаруживается, что факторы формирования стока наносов имеют неопределенный характер.

Полученные количественные соотношения между изменениями мутности воды в протоках дельты Лены и синоптическими и метеорологическими параметрами свидетельствуют о том, что в разных протоках ключевую роль в балансе наносов играют разные факторы. На продольное увеличение мутности в Оленекской протоке оказывает влияние повышение температуры мерзлоты, что может быть связано с оттаиванием многолетнемерзлых пород, которые слагают большую часть правого берега протоки. Увеличение температуры воздуха (рис. 3а) и мерзлоты приводит к разрушению берегов и формированию мутьевых потоков. В результате значимым фактором становится и солнечная радиация, которая приводит к активизации термических процессов в криолитозоне, в том числе к развитию процессов термоденудации берегов, представленных многолетнемерзлыми породами. Именно в Оленекской протоке при увеличении потока солнечной радиации происходит продольное увлечение мутности воды (рис. 3б).

Рис. 3. Тенденция увеличения мутности воды в Оленекской протоке с возрастанием температуры воздуха (а) (за 1, 3, 5 и 7 сут), солнечной радиации (б) (сумма за 1, 3, 5 и 7 сут).

Особый интерес вызывают экстремальные изменения мутности воды, зафиксированные при дешифрировании отдельных снимков. В частности, максимальные продольные увеличения мутности воды установлены для участка Трофимовской протоки по данным дешифрирования спутникового снимка от 28.07.2012 (ΔS = = 81.9%, абсолютные значения мутности возрастали с 30.7 мг/л в вершине дельты до 55.8 мг/л). Именно для этого периода характерны максимальные значения температуры воздуха и температуры мерзлоты в базе данных (∑ значений температуры воздуха за 5 дней составила 72.5°С, ∑ значений температуры мерзлоты на поверхности за 7 дней составила 79.8°С) (рис. 4).

Рис. 4. Картосхема полей мутности воды по результатам дешифрирования спутникового снимка от 28.07.2012 при ΔS_{Трофимовская} = 81.9%.

Достоверное влияния ветра на мутность воды связано с ветровым волнением, приводящим к взмучиванию донных отложений, и сгонно-нагонными явлениями. Статистически достоверные корреляции наблюдаются между продольным изменением мутности воды в Туматской протоке и средней скоростью ветра. Здесь при увеличении среднесуточной и средней за 1 и 3 сут скорости ветра происходит продольное увеличение мутности воды (рис. 5).

Рис. 5. Тенденция продольного увеличения мутности воды в Туматской протоке (а), Быковской протоке (б) с возрастанием скорости ветра (среднее за 1, 3, 5 сут). Цифрами (I–IV) обозначены случаи изменения мутности воды, рассмотренные в тексте статьи.

На графике связи между ΔS и скоростями ветра в Туматской протоке максимальные продольные изменения мутности воды (рис. 5, цифра I) соответствуют ситуации от 28.07.2012, когда на участке “вершина дельты – Туматская протока” происходило увеличение мутности воды на 30.9% (рис. 4). В день получения снимка скорость ветра составляла 6.31 м/с, а средняя за 3 сут – 6.16 м/с. Возрастание скорости ветра выше 2–3 м/с приводит к увеличению волновой деятельности на всех участках проток. Ветровое перемешивание в центральной части дельты на широком участке рассредоточения стока, а также вовлечение песчаных отложений, слагающих дно русла, привели к взмучиванию донных осадков и перетоку их в Туматскую протоку.

Аналогичные ситации обозначены цифрами II и III на рис. 5. В данном случае выделенным точкам соответствуют спутниковые снимки от 11.08.2011 (II) и 10.06.2018 (III). В этих ситуациях мутность воды продольно увеличивается на 51.4 и 41.5% соответственно. Увеличение может быть вызвано повышением средней скорости ветра до 8.53 м/с (11.08.2011) и до 6.65 м/с (10.06.2018).

Высокие значения корреляции между скоростью ветра и продольным изменением мутности воды зафиксированы и для Быковской протоки. Здесь на обширных участках, где ширина русла достигает 8 км, вдоль левого берега расположена песчаная отмель с малыми глубинами, происходят масштабные взмучивания песчаных отложений, что также влияет на формирование шлейфов повышенной мутности. Например, на снимке от 10.06.2018 (точки под номером IV) зафикисирована ситуация, где при скорости ветра до 6 м/с продольное изменение мутности воды составило 63.1% (рис. 6).

Рис. 6. Картосхема полей мутности воды по результатам дешифрирования спутникового снимка от 10.06.2018 при ΔS_{Туматская} = 41.5% (скорость ветра 6.8 м/с), ΔS_{Быковская} = 63.1% (скорость ветра 6.2 м/с).

Увеличение концентрации взвешенных наносов с ростом скорости ветра подтверждается результатами наблюдений авторов в 2022 г. При скорости ветра от 4.5 до 6.2 м/с наблюдалось взмучивание донных отложений у о. Самойловского: мутность возросла до 35% – с 24.3 мг/л (по данным отбора 11.08.2024) до 32.1 мг/л (14.08.2024). Уменьшение среднесуточной скорости ветра до 3.5 м/с, наоборот, привело к аккумуляции взвеси и снижению мутности до 14.2 мг/л (15.08.2024).

Гидрологические факторы

Влияние водности р. Лены на условия прохождения взвешенных наносов анализировалось на основе деления всей базы данных на две составляющие: изменения мутности воды при расходе воды выше и ниже среднего в выборке (37500 м³/с), соответствующие выходу воды на низкую пойму.

При больших величинах расхода воды (Q > 37500 м³/с) увеличение мутности потока по длине рукавов фиксируется на снимках наиболее часто. В итоге значимые корреляции (на уровне α = 5%) ΔS с водностью повышаются до 0.57 и 0.58 для таких проток, как Туматская и Оленекская. С повышением расхода воды мутность продольно увеличивается и в Быковской, и в Трофимовской протоках. Здесь корреляции ниже и принимают значения 0.44 и 0.34 соответственно, однако статически незначимы (согласно t-критерию Стьюдента на уровне значимости α = 5%). Указанные соотношения описываются следующими уравнениями:

$\Delta S_{Бык}=0.0012Q- 70.6$, r = 0.44, (24)

$\Delta S_{Трофим}=0.0006Q- 28.1$, r = 0.34, (25)

$\Delta S_{Тумат}=0.0013Q -81.5$, r = 0.57, (26)

$\Delta S_{Олен}=0.0017Q- 101.5$, r = 0.58, (27)

где $Q$ – расход воды в вершине дельты (м³/с).

Увеличение мутности воды вдоль дельтовых рукавов прослеживается на спутниковых снимках от 10.07.2018 (78 100 м³/с) и 22.07.2007 (Q = = 77 500 м³/с).

При расходах < 37500 м³/с (в основном август–сентябрь) влияние водности значительно снижается во всех протоках. Наоборот, увеличивается роль метеорологических факторов в формировании стока взвешенных наносов.

Закономерности влияния гидрологических факторов на распределение мутности воды в дельте Лены кардинально отличаются от закономерностей для южных дельт. В частности, в дельтах Селенги и Верхней Ангары [17] при увеличении расхода воды речные воды заполняли заросшие пойменные массивы, на которых большая часть наносов аккумулировалась. В выполненном анализе для дельты Лены с изменением диапазонов от 17400 до 78100 м³/с затопление значительных пойменных поверхностей не происходит, под водой оказываются лишь осередки, которые в условиях арктического климата не зарастают растительностью. Также при увеличении расхода воды наблюдается закономерное увеличение мутности воды, которое, скорее всего, связано с размывающей способностью потока.

Русловые факторы

Влияние синоптических и гидрологических факторов на изменения мутности воды в рукавах дельты Лены в конечном счете связано с их влиянием на режим русловых деформаций. Для пространственного анализа береговых отступаний введен индекс интенсивности разрушения, рассчитываемый по отношению площади отступания к площади водной поверхности внутри каждой ячейки регулярной сетки.

Общая площадь отступаний за период с 2000 по 2021 г. (21 год) на участке 30 тыс. км² дельты (площадь русла – 6 630 км²) составила 65.6 км², т. е. на рассматриваемом участке дельты Лены разрушениям было подвержено в год в среднем ~3.13 км² площади островов дельты.

Отступание берегов увеличивается от верхних частей рукавов к морскому краю дельты, где усиливается абразионная деятельность моря Лаптевых. Интенсивность русловых деформаций различается по секторам дельты. Наибольшей интенсивностью (до 15% русла) русловых деформаций отличается продолжение Трофимовской протоки – Сардахская протока, где на о. Собо-Сисе интенсивность отступания берегов достигает 15 м/год.

Ключевой причиной влияния на сток становится распространение многолетнемерзлых пород, а на участках Оленекской и Трофимовской проток – ледового комплекса, где объемная доля подземного льда в береговых грунтах достигает 90%. В Трофимовской протоке такие отложения находятся на уровне меженного уреза воды. Особенность ледового комплекса – содержание фракций малого диаметра [23], которые при разрушении берегов повышают мутность воды и не оседают ввиду малой транспортирующей способности потока и гидравлической крупности наносов. Кроме того, высокая льдистость отложений способствует термическому разрушению берегов водами Лены и потоками воздуха, что также приводит к повышению мутности воды.

Характерные иллюстрации влияния русловых деформаций на сток взвешенных наносов в дельте Лены – ситуация, зафиксированная на снимке 27.08.2020 (Q = 32600 м³/с), в этот день наблюдалось одно из наибольших увеличений мутности по длине Трофимовской протоки (ΔS = 50.0%). Если в истоке Трофимовской протоки мутность воды составляла 15–20 мг/л, то в среднем течении она увеличивается до 35 мг/л с максимумами, достигающими 50 мг/л в отдельных частях рукава. На основе сопоставления карты полей мутности, полученной в ходе дешифрирования снимка от 27.08.2020, и участков разрушений берегов в пределах Трофимовской протоки за 2000–2021 г. установлено совпадение участков повышенной мутности и максимальных отступаний берегов (рис. 7). Участки увеличения мутности воды совпадают с ростом площади отступания островов (индекс интенсивности разрушений достигает 15%). Для этого снимка получено уравнение тенденции, выражающее изменения мутности воды с увеличением площади разрушений на участке Трофимовской протоки (R² = 0.24):

$SSC=2.14\ln \left(S_{отступ}\right)+\mathrm{36.2,}$ (28)

где SSC – концентрация взвешенных частиц (мг/л), S_отступ – площадь береговых отступаний (км²).

Рис. 7. Картосхема полей мутности воды и участков размыва вдоль Трофимовской протоки.

Значительно меньше интенсивность переформирований в Туматской (до 5%), Оленекской (до 5%), и Быковской (0%) протоках. Это связано с максимальным распластыванием уровней и уменьшением транспортирующей способности из-за большей длины рукавов: в Быковской протоке уклон русла оценивается 0.01 м/км, а в Оленекской протоке – 0.005 м/км. В Быковской протоке русловые факторы несущественны из-за геолого-геоморфологических условий этой части дельты. Правый берег протоки здесь представлен коренными породами Хараулахского хребта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный анализ причин увеличения мутности воды в дельте и полученные результаты оценки метеорологических, гидрологических и русловых факторов впервые дают полноценную характеристику стока взвешенных наносов и закономерностей его трансформации в условиях распространения многолетнемерзлых пород.

Создана база данных по метеорологическим, гидрологическим и русловым факторам и характеристикам распределения мутности воды по четырем крупнейшим направлениям стока дельты Лены.

Проанализировано влияние синоптической ситуации (температуры воздуха, осадков, ветра, солнечной радиации, температуры многолетнемерзлых пород) на распределения мутности воды и на относительное изменение концентрации взвешенных частиц по рукавам.

Рассмотрены связи расхода воды и мутности воды в вершине дельты с относительным изменением мутности воды по рукавам дельты. Обнаружены закономерности возрастания мутности воды с увеличением расхода воды, что объясняется ландшафтными особенностями (отсутствием задерживающей растительности на пойме) дельты.

Рассчитаны величины интенсивности отступания берегов за 2000–2021 гг. Установлено, что увеличение стока взвешенного вещества в первую очередь связано с русловыми переформированиями, которые интенсифицируются в условиях климатически обусловленной термоэрозии берегов.

Для дельты Лены в среднем характерно увеличение стока взвешенных наносов по рукавам. Увеличение связано с большей водностью Трофимовской протоки, несмотря на преобладание отрицательных балансов в общей выборке.

About the authors

K. N. Prokopeva

Author for correspondence.
Email: prokris3@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119333

S. R. Chalov

Email: hydroserg@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119234

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Map of the studied object. Polygons indicate areas for calculating suspended solids concentrations and meteorological parameters.

Download (426KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Quantitative characteristics of changes in turbidity along the delta branches, taking into account the redistribution of runoff along the branches.

Download (88KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The tendency of increasing water turbidity in the Olenek channel with increasing air temperature (a) (for 1, 3, 5 and 7 days), solar radiation (b) (sum for 1, 3, 5 and 7 days).

Download (179KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Map of water turbidity fields based on the results of decoding the satellite image of 28.07.2012 at ΔSTrofimovskaya = 81.9%.

Download (773KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. The tendency of longitudinal increase in water turbidity in the Tumat channel (a), Bykovskaya channel (b) with increasing wind speed (average for 1, 3, 5 days). Numbers (I–IV) indicate the cases of change in water turbidity considered in the text of the article.

Download (124KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Map of water turbidity fields based on the results of decoding the satellite image from 10.06.2018 at ΔSTumatskaya = 41.5% (wind speed 6.8 m/s), ΔSBykovskaya = 63.1% (wind speed 6.2 m/s).

Download (874KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Map of water turbidity fields and erosion areas along the Trofimovskaya channel.

Download (447KB)

Indexing metadata