Название проекта (РНФ № 23-27-00039):

Взаимосвязи между подземными и поверхностными водами в таежной зоне Западной Сибири как фактор и индикатор эволюции гидрографической сети в голоцене

Участники проекта

Россия: Исследовательская команда

Руководитель проекта:

• Савичев О.Г., профессор, Томский политехнический университет

Основные исполнители:

• Чилингер Л.Н., доцент, Томский политехнический университет
• Тимкина Н.В., ст.преп., Томский политехнический университет

Исполнители:

• Владимирова О.Н., эксперт Центра научной карьеры Управления научной деятельностью (ЦНК УНД), Томский политехнический университет
• Липилина Е.А., инженер проблемной научно-исследовательской гидрогеохимической лаборатории, Томский политехнический университет

Описание проекта

Цель проекта: выявление закономерностей изменения подземного стока и условий взаимодействия подземных, речных и болотных вод бассейна реки Обь в голоцене.

Задачи проекта (2023-2024 гг.):

1) количественная оценка элементов водного баланса Васюганского и Обского болот и средних рек (притоков Оби) с разной степенью и характером заболоченности водосборов в периоды голоцена с условно однородными климатическими характеристиками;

2) количественная оценка элементов гидрохимического баланса Васюганского и Обского болот, средних рек (притоков Оби) с разной степенью и характером заболоченности водосборов в периоды голоцена с условно однородными климатическими характеристиками;

3) выявление пространственно-временных изменений доли подземного стока в речном стоке и участия подземных вод в водном и гидрохимическом балансе болот;

4) долгосрочный прогноз подземного стока с учетом сценариев вероятного изменения климата и антропогенной нагрузки;

5) долгосрочный прогноз изменения состояния болотных экосистем в таежной зоне Сибири. Основные результаты проекта соответствуют поставленных задач.

Особенностью проекта в целом является рассмотрение единого пространства-времени возникновения и функционирования комплекса подземных и поверхностных водных объектов (включая реки и болота) Западной Сибири в голоцене, закономерности трансформации которого должны учитываться при проектировании, строительстве и эксплуатации крупных технических систем.

Район исследования

Достигнутые конкретные научные результаты:

ФР23.1. В 2023 г. завершен анализ результатов проведенного в 2021 г. в Томском политехническом университете эксперимента по изучению самоочищения низинного Обского болота, расположенного на территории площадью боле 150 км2 в долине одной из крупнейших рек мира – Оби. Для эксперимента выбран участок Обского болота у села Нащеково (Шегарский район Томской области), а сам эксперимент включал бурение 5 скважин (18.03.2021 г.) в виде квадрата с центральной скважиной H3, выпуск у скважины Н3 на поверхность болота 50 л раствора NaCl с концентрацией 20 г/дм3 (19.03.2021 г.) и исследование химического состава до (18.03.2021 г. и ранее) и после (16.10.2021 г.) воздействия. Показано, что, во-первых, значимые изменения концентраций Na+ и Cl- ограничены в плане расстояниями менее 70 м, а по глубине – до 3 м. Во-вторых, распределение индикатора (Cl–) по торфяной залежи зависит не только от первоначальных объема и концентрации NaCl, но и от наличия внутренних водоупоров, характера увлажнения болота и взаимодействия болотных и подземных вод. В-третьих, внесение раствора NaCl не привело к существенному изменению условий взаимодействия болотных вод с горными породами даже непосредственно в точке Н3 и не вышло за пределы средних значений (рис. Р1.1, Р.1.2); исключение составляют только реакции растворения кальцита и доломита при отсутствии СО2. Но и в этих случаях индексы насыщения даже по вариантам Н3(w) и H3(2) существенно не отличаются от соответствующих значений для подземных вод, что объясняется периодическим поступлением пресных с повышенной минерализацией и солоноватых подземных вод в нижние слои торфяной залежи.

ФР23.2. Проведены статистический анализ данных о водном режиме и химическом составе подземных, болотных и речных вод в водосборе реки Чая (рис. ФР23.2.1) в пределах Бакчарского железорудного узла (Западная Сибирь) и расчет элементов водного и геохимического балансов этой реки и ее притоков (табл. ФР.2.1).

ФР23.3. В результате обобщения данных многолетних гидрологических и гидрогеологических наблюдений на территории Томской области выполнена оценка отношения K_I инфильтрации Inf к коэффициенту фильтрации K_f и положения водоразделов для 15 участков, ограниченных урезами рек, между которыми проводятся (проводились ранее) наблюдения на режимной гидрогеологической скважине (рис. ФР23.3.1).

ФР23.4. Проведен анализ структуры торфяной залежи в южной части водосбора реки Чая (приток реки Обь; рис. Р(23). 4.1). Показано, что масштабное формирование торфяных болот (с мощностью торфа 0.3 м и более) на рассматриваемой территории происходило примерно 4 тыс. лет назад, а олиготрофизация торфяной залежи (в региональном масштабе) – примерно 2.0…1.5 тыс. лет назад. В обоих случаях основная часть болот, предположительно, могла быть отнесена к низинному типу, но, по сравнению с современным периодом, в первом случае их общая площадь была меньше в 2 раза, а во втором – больше в 1.7 раза. С учетом этих оценок определены средние значения инфильтрации Inf и коэффициентов фильтрации K_f, получена зависимость отношения K_I =Inf/K_f от площади низинных болот и выполнены расчеты уровней подземных (грунтовых) вод в настоящее время и для сроков 1.7 и 4.1 тыс. лет назад. Показано, что при олиготрофизации торфяной залежи (примерно 2.0…1.5 тыс. лет назад) с высокой вероятностью наблюдалось ухудшение водообмена между болотами и подземными водоносными горизонтами и подъем уровней подземных вод (рис. Р.4.2). Начало интенсивного регионального заболачивания (около 4 тыс. лет назад) происходило на фоне интенсивных водно-эрозионных процессов, в результате которых происходило накопление речного аллювия, сопровождающееся подъемом уровней речных, а затем и подземных вод.

ФР23.5. Проведен анализ материалов наблюдений за химическим составом речных и подземных вод в бассейне р. Обь (на участке от слияния рек Бия и Катунь до Обской губы), разработана модель изменения по ее длине суммарного содержания главных ионов в речных водах (рис. ФР23.5.1). В результате получены количественные оценки суммарного ионного стока и его подземной составляющей, на основе чего сделан вывод, во-первых, о неравномерном распределении ионного стока по территории Обского бассейна (рис. ФР23.5.2, ФР23.5.3). Во-вторых, в горных районах Обского бассейна и прилегающих к ним территориям лесостепи и южной тайги происходит преимущественно вынос растворенных солей, часть которых аккумулируется в подземных горизонтах на границе южной и средней тайги и непосредственно в среднетаежной подзоне, причем, прежде всего, на участках с менее интенсивным водообменом в левобережной части Средней Оби. В-третьих, влияние основных притоков на суммарное содержание растворенных солей в целом ограничено несколькими километрами ниже устьев (рис. ФР23.5.4). Главное исключение составляет р. Иртыш, а также рр. Чумыш и Северная Сосьва. В-четвертых, влияние подземных вод максимально на лесостепных и южно-таежных участках Верхней и Средней Оби и минимально в равнинной части нижнего течения р. Обь в зоне лесотундры и тундры. С учетом этого анализ изменений ионного стока р. Обь необходимо проводить с учетом изменений подземной гидросферы, в частности отмеченного рядом авторов увеличения уровней подземных вод в южно- и среднетаежной подзонах примерно на 0.3 м и деградации многолетней мерзлоты в северной части Обского бассейна.

ФР23.6. В результате анализа многолетних данных режимных гидрометеорологических наблюдений (1933–2007 гг.), материалов полевых обследований и дешифрования данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) участка р. Икса у с. Плотниково показано, что для этой реки наиболее рациональный способ оценки границ водного объекта заключается в определении среднемноголетнего максимального уровня воды (границы нижней поймы), а границ водоохранной зоны – по максимальному уровню воды обеспеченностью 1% (границы верхней поймы), рис. ФР23.6.1, ФР23.6.2. Эти границы достаточно заметны при рекогносцировочных обследованиях при проведении инженерных изысканий и при анализе ДЗЗ, что повышает эффективность природоохранных мероприятий за счет более обоснованного выделения водоохранных зон и позволяет оптимизировать методику определения их границ вследствие использования данных дистанционного зондирования Земли вместо формальной интерполяции между пунктами наблюдений. 

ФР24.1. На основе анализа материалов многолетних гидрогеологических и гидрологических наблюдений на заболоченных территориях Обского бассейна (рис. ФР24.1.1, ФР24.1.2) показано, что возникновение и эволюция болотных экосистем на рассматриваемой территории представляет собой комплекс эрозионно-аккумулятивных процессов, развитие которого до современного периода проходило в три стадии.

ФР24.2. На основе анализа многолетних гидрологических (Росгидромет) и гидрогеологических (ФГБУ «Гидроспецгеология») наблюдений, результатов инженерных изысканий и обследований участков рек Томь у г. Томска, Васюган у п. Новый Васюган (рис. ФР24.2.1, ), Икса у с. Плотниково, Ключ у с. Полынянка и ряда других водотоков проведены расчеты положения береговой линии и границ зон затопления и подтопления долин ряда рек в Томской области.

Результаты исследования:

Результаты исследования использованы при разработке учебных курсов «Инженерно-гидрометеорологические изыскания» в рамках подготовки магистрантов по специальности «Природообустройство и водопользование», основная образовательная программа «Инженерные изыскания для строительства» и «Мониторинг земель» в рамках подготовки специалистов по направлению «Землеустройство и кадастры» (бакалавриат).