resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2025-30-3-392-403resar-1051Research ArticleНауки о Земле. Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведениеEarth sciences. Engineering geology, permafrost and soil scienceМоделирование уровенного режима межмерзлотных вод и их стока в Центральной Якутии на примере водосборной площади источника ЕрююModeling the water level regime of intrapermafrost waters and their runoff in Central Yakutia: A case study of the Eruu source catchment areahttps://orcid.org/0000-0003-3150-9152ЮйМ.YuM.

Юй Мяо, аспирант

 ResearcherID: ABB-3746-2021, Scopus Author ID: 57210574365

г. Якутск, Российская Федерация; г. Харбин, Китайская Народная Республика

 

Yu, Miao, Post-graduate Student

ResearcherID: ABB-3746-2021, Scopus Author ID: 57210574365

Yakutsk, Russian Federation; Harbin, People’s Republic of China

yumiao@126.comhttps://orcid.org/0000-0001-5473-7778ПавловаН. А.PavlovaN. A.

Павлова Надежда Анатольевна, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник

ResearcherID: W-2163-2018, Scopus Author ID: 57188696296

г. Якутск

 

Pavlova, Nadezhda Anatolievna, Cand. Sci. (Geol. and Mineral.), Leading Researcher

Researcher ID: W-2163-2018, Scopus Author ID: 57188696296

Yakuts

napavlova@mpi.ysn.ruИнститут мерзлотоведения им П. И. Мельникова СО РАН; Хэйлунцзянский университетРоссияMelnikov Permafrost Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of Science; Heilongjiang UniversityRussian FederationИнститут мерзлотоведения им П. И. Мельникова СО РАНРоссияMelnikov Permafrost Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of ScienceRussian Federation202506102025303392403Copyright © Юй М., Павлова Н.А., 20252025Юй М., Павлова Н.А.Yu M., Pavlova N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/1051

В области криолитозоны на фоне изменения климата и возрастающей техногенной нагрузки с каждым годом возрастает актуальность изучения условий формирования ресурсов и режима нади межмерзлотных вод, которые наиболее чувствительны к внешнему воздействию. Одним из методов изучения динамики подземных вод при невозможности проведения систематических круглогодичных наблюдений является численное моделирование. Цель выполненных исследований – создать математическую модель фильтрации надмерзлотно-межмерзлотных подземных вод, широко распространенных на правобережье р. Лена в Центральной Якутии, и оценить межгодовую изменчивость их ресурсов. Трехмерная стандартная геофильтрационная модель была создана в программе MODFLOW-USG. Исходными данными для ее построения послужили результаты многолетних полевых гидрогеологических и геокриологических исследований, полученные на водосборной площади одного из круглогодично действующих наледеобразующих источников на бестяхской террасе р. Лена. Для калибровки численной модели использованы данные натурных наблюдений за уровнем воды в скважине, расположенной в зоне транзита межмерзлотных вод. Корректировка фильтрационных параметров и граничных условий модели проводилась до тех пор, пока расхождение между расчетными и фактическими значениями уровня межмерзлотных вод не составило менее 0,1 м для более чем 90 % измерений. Результаты моделирования позволили оценить динамику водообильности межмерзлотного водоносного талика за последние 15 лет, уточнить влияние различных метеорологических факторов и процессов сезонного промерзания-протаивания пород на формирование режима подземных вод, количественно оценить внутригодовую изменчивость дебита источника. Полученные результаты могут послужить основой для постановки задач по прогнозированию изменения мерзлотно-гидрогеологических условий под действием колебаний климата, а также рассматриваться как эффективный метод количественной оценки динамики подземных вод в области распространения многолетнемерзлых пород.

In permafrost regions, the combined effects of climate change and increased anthropogenic activity highlight the need to study the formation processes and dynamics of supraand intrapermafrost waters, due to their strong responsiveness to external influences. When continuous year-round observations are not possible, numerical modeling provides an efficient approach to study groundwater dynamics. This study aims to construct a mathematical model of suprapermafrost and intrapermafrost groundwater flow prevalent along the right bank of the Lena River in Central Yakutia, and to evaluate the interannual variability of these groundwater resources. A three-dimensional groundwater flow model was developed using the MODFLOW-USG software. This model was constructed using baseline data obtained from extensive, long-term field investigations in hydrogeology and geocryology conducted within the catchment area of a perennial icing spring located on the Bestyakh Terrace of the Lena River. The numerical model was calibrated using field-observed water levels from a monitoring well located within the intrapermafrost water transit zone. Calibration involved iterative adjustments of hydraulic parameters and boundary conditions until the deviation between simulated and observed intrapermafrost water levels was less than 0.1 m for more than 90% of the measurements. The simulation results enabled the reconstruction of the water yield dynamics in the intrapermafrost aquifer talik over the past 15 years, clarified the effects of various meteorological factors and seasonal freeze-thaw cycles on groundwater regime formation, and provided a quantitative evaluation of spring discharge variability at intra-annual scales. These findings establish a foundation for developing predictive frameworks of permafrost-hydrogeological evolution in response to climatic variability and provide a robust methodological approach for quantifying groundwater dynamics in permafrost-affected regions. 

надмерзлотно-межмерзлотный таликподземные водымоделированиеMODFLOW-USGфильтрационные свойствауровень водыдебит источникаsuprapermafrost–intrapermafrost talikgroundwatermodelingMODFLOW-USGfiltration propertieswater levelspring dischargeРабота выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований ИМЗ СО РАН «Подземные воды криолитозоны: закономерности формирования и режима, особенности взаимодействия с поверхностными водами и мерзлыми породами, перспективы использования» (№ 122012400106-7).This study was conducted with the support of the Scientific Research Program at the Melnikov Permafrost Institute of SB RAS “Groundwater in permafrost: Formation and regime patterns, interaction with surface water and frozen rocks, and prospects for use” (No. 122012400106-7).ReferencesПигузова В.М., Шепелев В.В. Методика изучения наледей. Якутск: Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН; 1975. 62 с.Piguzova V.M., Shepelev V.V. Methodology for the study of aufeis. Yakutsk: Melnikov Permafrost Institute SB RAS; 1975. 62 p. (In Russ.)Романовский Н.Н. Подземные воды криолитозоны. М.: Изд-во МГУ; 1983. 231 с.Romanovsky N.N. Groundwater in the cryolithozone. Moscow: Moscow University Press; 1983. 231 p. (In Russ.).Hornum M.T., Hodson A.J., Jessen S., et al. Numerical modelling of permafrost spring discharge and open-system pingo formation induced by basal permafrost aggradation. The Cryosphere. 2020;14(12):4627–4651. https://doi.org/10.5194/tc-14-4627-2020.Hornum M.T., Hodson A.J., Jessen S., et al. Numerical modelling of permafrost spring discharge and open-system pingo formation induced by basal permafrost aggradation. The Cryosphere. 2020;14(12):4627–4651. https://doi.org/10.5194/tc-14-4627-2020.Liao C., Zhuang Q. Quantifying the role of permafrost distribution in groundwater and surface water interactions using a three-dimensional hydrological model. Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2017;49(1):81–100. https://doi.org/10.1657/aaar0016-022.Liao C., Zhuang Q. Quantifying the role of permafrost distribution in groundwater and surface water interactions using a three-dimensional hydrological model. Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2017;49(1):81–100. https://doi.org/ 10.1657/aaar0016-022.Liu W., Fortier R., Molson J., Lemieux J.M. Three-dimensional numerical modeling of cryo-hydrogeological processes in a river-talik system in a continuous permafrost environment. Water Resources Research. 2022;58(3):e2021WR031630. https://doi.org/10.1029/2021wr031630.Liu W., Fortier R., Molson J., Lemieux J.M. Three-dimensional numerical modeling of cryo-hydrogeological processes in a river-talik system in a continuous permafrost environment. Water Resources Research. 2022;58(3):e2021WR031630. https://doi.org/10.1029/2021wr031630.Riseborough D., Shiklomanov N., Etzelmüller B., et al. Recent advances in permafrost modelling. Permafrost and Periglacial Processes. 2008;19:137–156. https://doi.org/10.1002/ppp.615.Riseborough D., Shiklomanov N., Etzelmüller B., et al. Recent advances in permafrost modelling. Permafrost and Periglacial Processes. 2008;19:137–156. https://doi.org/10.1002/ppp.615.Гриневский С.О. Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод. М.: ИНФРА-М; 2012. 152 с.Grinevsky S.O. Hydrogeodynamic modeling of the interaction between underground and surface waters. Moscow: INFRA-M; 2012. 152 p. (In Russ.).Frampton A., Painter S.L., Destouni G. Permafrost degradation and subsurface-flow changes caused by surface warming trends. Hydrogeology Journal. 2013;21(1):271–280. https://doi.org/10.1007/s10040-012-0938-z.Frampton A., Painter S.L., Destouni G. Permafrost degradation and subsurface-flow changes caused by surface warming trends. Hydrogeology Journal. 2013;21(1):271–280. https://doi.org/10.1007/s10040-012-0938-z.Woo M.K., Kane D.L., Carey S.K., et al. Progress in permafrost hydrology in the new millennium. Permafrost and Periglacial Processes. 2008;19(2):237–254. https://doi.org/10.1002/ppp.613.Woo M.K., Kane D.L., Carey S.K., et al. Progress in permafrost hydrology in the new millennium. Permafrost and Periglacial Processes. 2008;19(2):237–254. https://doi.org/10.1002/ppp.613.Штенгелов Р.С. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ: учебное пособие. М.: Изд-во МГУ; 1994. 335 с.Shtengelov R.S. Hydrogeodynamic calculations on a computer: A textbook. Moscow: Moscow University Press; 1994. 335 p. (In Russ.)Koch J.C., McKnight D.M., Neupauer R.M. Simulating unsteady flow, anabranching, and hyporheic dynamics in a glacial meltwater stream using a coupled surface water routing and groundwater flow model. Water Resources Research. 2011;47(5):W05530. https://doi.org/10.1029/2010wr009508.Koch J.C., McKnight D.M., Neupauer R.M. Simulating unsteady flow, anabranching, and hyporheic dynamics in a glacial meltwater stream using a coupled surface water routing and groundwater flow model. Water Resources Research. 2011;47(5):W05530. https://doi.org/10.1029/2010wr009508.Ge S., McKenzie J., Voss C., et al. Exchange of groundwater and surface‐water mediated by permafrost response to seasonal and long-term air temperature variation. Geophysical Research Letters. 2011;38(14):L14402. https://doi.org/10.1029/2011gl047911.Ge S., McKenzie J., Voss C., et al. Exchange of groundwater and surface‐water mediated by permafrost response to seasonal and long-term air temperature variation. Geophysical Research Letters. 2011;38(14):L14402. https://doi.org/10.1029/2011gl047911.Gaiolini M., Colombani N., Busico G., et al. Impact of boundary conditions dynamics on groundwater budget in the Campania region (Italy). Water. 2022;14(16):2462. https://doi.org/10.3390/w14162462.Gaiolini M., Colombani N., Busico G., et al. Impact of boundary conditions dynamics on groundwater budget in the Campania region (Italy). Water. 2022;14(16):2462. https://doi.org/10.3390/w14162462.Iwata Y., Hayashi M., Hirota T. Comparison of snowmelt infiltration under different soil-freezing conditions influenced by snow cover. Vadose Zone Journal. 2008;7(1):79–86. https://doi.org/10.2136/vzj2007.0089.Iwata Y., Hayashi M., Hirota T. Comparison of snowmelt infiltration under different soil-freezing conditions influenced by snow cover. Vadose Zone Journal. 2008;7(1):79–86. https://doi.org/10.2136/vzj2007.0089.Zhang T. Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: An overview. Reviews of Geophysics. 2005;43(4):RG4002. https://doi.org/10.1029/2004rg000157.Zhang T. Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: An overview. Reviews of Geophysics. 2005;43(4):RG4002. https://doi.org/10.1029/2004rg000157.Павлова Н.А., Шепелев В.В., Галанин А.А. и др. Гидрохимия подземных вод надмерзлотно-межмерзлотного стока на участках их разгрузки (Центральная Якутия). Водные ресурсы. 2020;47(4):391–401. https://doi.org/10.31857/S0321059620040124.Pavlova N.A., Shepelev V.V., Galanin A.A., et al. Groundwater hydrochemistry of suprapermafrost–intrapermafrost fl in their discharge areas in Central Yakutia. Water Resources. 2020;47(4):581–590. https://doi.org/10.1134/S0097807820040119.Ефимов А.И. Незамерзающий пресный источник Улахан-Тарын в Центральной Якутии. В кн.: Исследования вечной мерзлоты в Якутской республике. М.: Изд-во АН СССР; 1952. Вып. 3. С. 60–105.Efimov A.I. The Ulakhan-Taryn Unfreezing Freshwater Source in Central Yakutia. In: Research on permafrost in Yakutia. Moscow: USSR Academy of Sciences; 1952. Issue 3, рр. 60–105. (In Russ.)Толстихин О.Н., Шепелев В.В., Никитина Н.М. и др. Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири. Новосибирск: Наука; 1984. 191 с.Tolstikhin O.N., Shepelev V.V., Nikitina N.M., et al. Permafrost hydrogeological conditions of Eastern Siberia. Novosibirsk: Nauka; 1984. 191 p. (In Russ.)Анисимова Н.П. Криогидрогеохимические особенности мерзлой зоны. Новосибирск: Наука; 1981. 153 с.Anisimova N.P. Cryohydrogeochemical features of the permafrost zone. Novosibirsk: Nauka; 1981. 153 p. (In Russ.)Павлова Н.А., Колесников А.Б., Ефремов В.С. и др. Химический состав подземных вод межмерзлотных таликов в Центральной Якутии. Водные ресурсы. 2016;43(2): 353–363. https://doi.org/10.7868/S0321059616020139.Pavlova N.A., Kolesnikov A B., Efremov V.S., et al. Groundwater chemistry in intrapermafrost taliks in Central Yakutia. Water Resources. 2016;43(2):353–363. https://doi.org/10.1134/S0097807816020135.Шепелев В.В., Ломовцева Н.С. Озера криолитозоны бестяхской террасы р. Лены и их взаимосвязь с подземными водами. В кн.: Тематические и региональные исследования мерзлых толщ северной Евразии. Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР; 1981. С. 106–115.Shepelev V.V., Lomovtseva N.S. Lakes in the cryolithozone of the Bestyakhskaya Terrace along the Lena River and their interaction with groundwater. In: Thematic and regional studies of permafrost in Northern Eurasia. Yakutsk: Institute of Permafrost of the USSR Academy of Sciences; 1981, pp. 106–115. (In Russ.).Шепелев В.В. Родниковые воды Якутии. Якутск: Якутское книжное изд-во; 1987. 127 с.Shepelev V.V. Spring waters in Yakutia. Yakutsk: Yakutskoe knizhnoe izdatel’stvo Publ.; 1987. 127 p. (In Russ.).Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны. Новосибирск: Гео; 2011. 167 с.Shepelev V.V. Suprapermafrost waters in the cryolithozone. Novosibirsk: Geo; 2011. 167 p. (In Russ.)Семерня А.А., Гагарин Л.А., Бажин К.И. Мерзлотногидрогеологические особенности участка распространения межмерзлотного водоносного комплекса в районе источника Ерюю (Центральная Якутия). Криосфера Земли. 2018;22(2): 29–38. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2018-2(29-38)Semernya A.A., Gagarin L.A., Bazhin K.I. Cryohydrogeological features of the site of intrapermafrost aquifer distribution in the Eruu spring area (Central Yakutia). Earth’s Cryosphere. 2018;22(2):26–34. (In Russ.) https://doi.org/10.21782/EC2541-9994-2018-2(26-34)Porter C., Howat I., Noh M.-J., et al. “ArcticDEM – Strips, Version 4.1”.Version 1. 2022: Harvard Dataverse. https://doi.org/10.7910/DVN/C98DVS.Porter C., Howat I., Noh M.-J., et al. “ArcticDEM – Strips, Version 4.1”.Version 1. 2022: Harvard Dataverse. https://doi.org/10.7910/DVN/C98DVS.Price D.T., McKenney D.W., Nalder I.A., et al. A comparison of two statistical methods for spatial interpolation of Canadian monthly mean climate data. Agricultural and Forest Meteorology. 2000;101(2-3):81–94. https://doi.org/10.1016/s01681923(99)00169-0.Price D.T., McKenney D.W., Nalder I.A., et al. A comparison of two statistical methods for spatial interpolation of Canadian monthly mean climate data. Agricultural and Forest Meteorology. 2000;101(2-3):81–94. https://doi.org/10.1016/s01681923(99)00169-0.Nitze I., Grosse G., Jones B.M., et al. Landsat-based trend analysis of lake dynamics across northern permafrost regions. Remote Sensing. 2017;9(7):640. https://doi.org/10.3390rs9070640.Nitze I., Grosse G., Jones B.M., et al. Landsat-based trend analysis of lake dynamics across northern permafrost regions. Remote Sensing. 2017;9(7):640. https://doi.org/10.3390/rs9070640.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.