УДК 556.16.047
Разделение гидрографа стока на генетические составляющие
Т. С. Губарева*, Б. И. Гарцман*, В. В. Шамов*, А. Г. Болдескул*, Н. К. Кожевникова**
Представлены результаты адаптации и отработки методики разделения гидрографа стока на генетические составляющие, основанной на использовании природных химических трассеров в рамках модели EMMA. Расчеты долей дождевых вод, почвенных вод и подземного питания выполнены путем совместного анализа данных детальных гидрологических и гидрохимических наблюдений на малом экспериментальном водосборе в бассейне Уссури. Результаты расчетов дают возможность анализировать взаимную динамику разных источников питания ручья в летне-осенний паводковый пери од.
Ключевые слова: гидрограф стока, генетические составляющие, модель EMMA, дождевые воды, почвенные воды, подземное питание.
Введение
Формирование речных вод из разных типов водных масс (источников) остается мало изученным вопросом гидрологии. На основе концепции К. К. Эдельштейна [7] под генетической структурой речных водных масс нами понимается количественная оценка сочетания разных генетических типов вод в реке, определяемого спецификой химического состава вмещающих горизонтов толщи почв и грунтов, дренируемой рекой, а также динамикой увлажнения водосбора. Другими словами, генетическая структура стока отражает наличие и соотношение различных источников питания реки, а также разных механизмов стокообразования с учетом их функциональных взаимосвязей и временной динамики. Эта ключевая для гидрологии суши проблема является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований за рубежом [9—12, 16—19]. В 1960-х годах значительное внимание ей уделял П. П. Воронков [1], который графическим методом выделял генетические категории вод на гидрографе с учетом их химического состава.
В статье представлены результаты адаптации и отработки методики разделения гидрографа стока на генетические составляющие (по источни-
* Тихоокеанский институт географии Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: Tgubareva@bk.ru.
** Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук.
кам питания), основанной на использовании природных химических трассеров в рамках модели смешения (модель EMMA). Использованы оригинальные материалы гидрометеорологических и гидрохимических наблюдений за 2011—2012 гг. в бассейне руч. Еловый на территории Верхнеуссурийского стационара Биолого-почвенного института Дальневосточного отделения РАН [6].
Применение обсуждаемой методики обусловлено не только необходимостью получения более содержательной гидрологической информации, но и поиском принципиально новых возможностей верификации и тестирования имитационных гидрологических моделей. Обширный опыт применения модели ЕММА [10, 19] демонстрирует ее значительные возможности, связанные, однако, с необходимостью детальной настройки для конкретного исследуемого объекта и решаемой задачи. В России такое исследование, судя по публикациям, проводится впервые, хотя упоминания о модели EMMA встречаются [5].
Материал и методика исследования
Объект исследования. Экспериментальный водосбор — часть бассейна руч. Еловый общей площадью 0,82 км2 в бассейне р. Правая Соколовка (верховье р. Уссури). Водоток 1-го порядка протекает по горной территории с диапазоном высоты от 660 до 900 м. Сток по ручью устойчивый и полного пересыхания не наблюдалось даже в самые засушливые годы. Водосбор покрыт хвойно-широколиственными лесами. Распространены бурые лесные почвы на речных песчано-галечниковых отложениях, на склонах - горно-лесные бурые почвы на аллювии и элюво-делювии песчаников, порфиров, спилитов, сиенитов различных стадий фрагментарности. Основной водоупор залегает на глубине около 3 м. Среднегодовое количество осадков составляет ~780 мм, выпадают они преимущественно в теплый сезон. В 1960—1990-х годах в бассейне руч. Еловый проводились обширные исследования по лесной гидрологии [3].
Натурные наблюдения. Уровень воды регистрировали гидростатическим измерителем LT Leverlogger Junior Solinst, осуществляющим непрерывную запись показаний с шагом по времени 15 мин. Расход воды измеряли объемным методом и с помощью высокоточного электромагнитного измерителя скорости потока SEBA FlowSens: в периоды активного проведения работ — ежедневно, в период паводка — дважды в сутки. Расчет стока производили с помощью построения кривой Q = f(H) по часовым интервалам. Регистрацию температуры и влажности воздуха, количества осадков, направления и скорости ветра, солнечной радиации выполняли с помощью автоматизированной метеорологической станции WS-GP1 Delta-T с интервалом 1 ч. Автоматический осадкомер HD2013 Delta-OHM до пол ни тель но изме рял коли чес тво осад ков на глав ном водо разде ле бассейна на высоте около 860 м также с интервалом 1 ч.
Про бы при род ных вод раз но го типа — ат мос фер ных, вод почвен но го горизонта (склоновых), русловых — отбирали систематически в течение всего сезона. Атмосферные воды собирали в полиэтиленовые конусы, подвешиваемые под открытым небом на расстоянии от деревьев не менее 3 м. Для отбора проб почвенно-грунтовых вод использовали тензиолизиметры
(Тл) с керамическими наконечниками DIK-8392 длиной 0,5 и 1,0 м, позволяющие извлекать пробы воды из почв ненарушенного сложения in situ [13]. Они были заложены в местах концентрации гравитационной почвенной влаги вертикально на разной глубине. Пробы воды из ручья отбирали каждый раз одновременно с измерением расхода воды.
Лабораторные анализы. Температуру и электропроводность воды всех гидрохимических проб измеряли на месте с помощью термокондуктометра Ciba Corning M90 мультипараметрического анализатора YSI Pro Plus, pH — с помощью рН-метра "Эксперт-001". Во всех пробах определяли содержание основных макрокомпонентов и их микроэлементный состав. Содержание гидрокарбонат-иона определяли потенциометрическим титрованием в нефильтрованных пробах по стандартной методике [4]. Содержание остальных компонентов определяли после фильтрации через фильтр Durapore Millipore с размером пор 0,45 мкм. Для анализа методами AAS и ICP-MS пробы после фильтрации подкисляли азотной кислотой. Содержание главных анионов (Cl-, SO^, NOj ) измеряли на жидкостном хроматографе Shimadzu LC 10Avp, содержание главных катионов (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) — на атомно-абсорбционном спектрометре Shimadzu AA 6800. Содержание кремния определяли методом ICP-MS (Agilent 7500 cx Series), общего растворенного органического углерода (Собщ) — с помощью современного ТОС-анализатора (Shimadzu TOC-VCPN). В общей сложности было проанализировано 300 проб воды.
Разделение гидрографа стока на генетические составляющие. Методика разделения гидрографа стока заключается в решении системы уравнений смешения, в которой заложен принцип сохранения баланса массы. Это по зволя ет рас счи тать про пор ции вод ных масс из раз ных ис точ ни ков питания, формирующих русловые воды. В качестве потенциальных источников или генетических составляющих стока могут выступать дождевые воды, воды глубо ко го под зем но го го ри зон та, скло но вые (почвен ные) воды. Предполагается, что химический состав воды в русле контролируется процессом их смешения. Каждой из генетических составляющих соответствует характерный набор химических элементов (трассеров), достаточно консервативных в рамках физико-химических процессов, происходящих в речном потоке. Источники питания водотоков в англоязычных публикациях принято называть крайними членами модели смешения (end-members) или при нци пи аль ны ми ком по нен та ми (principal components), а модель смешения и соответствующие аналитические процедуры — End-Members Mixing Analysis (EMMA).
Воды генетических источников питания реки и речные воды различаются по химическому составу, который варьируется в характерных диапазонах. Диаграмма смешения представляет собой поле координат (двухмерное для случая смешения трех источников), в котором нанесены концентрации химических элементов-трассеров (рис. 1а). В этом поле генетические источники питания, характеризующиеся экстремальными величинами концентраций, образуют углы треугольника, внутри которого располагаются точки, соответствующие пробам речных вод. Краевое (экстремальное) расположение источников обусловлено фактом существования вертикаль ной ге охи ми чес кой зо наль нос ти в пред е лах тол щи водос бор но го бас-сей на.
Как правило, для определенного горизонта можно обосновать характерный трассер или набор трассеров в тех или иных ландшафтных условиях. Набор потенциальных трассеров довольно широк и зависит от конкретных геохимических условий на водосборе. В качестве трассеров могут выступать различные химические элементы, содержащиеся в природных водах: макрокомпоненты Са2+, Ыя2+, К+, Ш+, БО^, Ш-, С1- и др. [8, 10, 12, 15, 16, 18], микрокомпоненты Бг, ЯЪ [17, 19], изотопы кислорода, водорода и др.
Модель смешения. Трехкомпонентный (с двумя трассерами) вариант модели смешения, в которой в качестве генетических составляющих — источников — обычно принимают атмосферные осадки, почвенные воды и глубо кий под зем ный сток, име ет вид
Решение этой системы в общем виде представляется следующим образом:
где 0 — расход воды; С — концентрация трассеров; , указывает на текущий момент времени; верхний индекс — номер трассера, нижний — номер компонента (источника). Уравнения могут быть очевидным образом переписаны при использовании долей расходов компонентов в общем расходе по уравнению/ = 0,110,1. В этом случае/ + /2 + /3 = 1.
Использование модели смешения предполагает соблюдение некоторых условий: трассеры должны быть консервативны, т. е. не вступать в химические реакции; концентрации трассеров источников должны отличаться друг от друга; концентрации трассеров всех источников должны быть постоянными во времени в интервале события (например, дождя) или их изменения должны быть известны; пространственные вариации концентраций трассеров должны быть малы по сравнению с различиями между источниками.
Суждение о консервативном смешивании химических элементов и при
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.