Моделирование уровенного режима межмерзлотных вод и их стока в Центральной Якутии на примере водосборной площади источника Ерюю

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.

1. Пигузова В.М., Шепелев В.В. Методика изучения наледей. Якутск: Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН; 1975. 62 с.

2. Романовский Н.Н. Подземные воды криолитозоны. М.: Изд-во МГУ; 1983. 231 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Гриневский С.О. Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод. М.: ИНФРА-М; 2012. 152 с.

8. 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.

9. 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.

10. Штенгелов Р.С. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ: учебное пособие. М.: Изд-во МГУ; 1994. 335 с.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Толстихин О.Н., Шепелев В.В., Никитина Н.М. и др. Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири. Новосибирск: Наука; 1984. 191 с.

19. Анисимова Н.П. Криогидрогеохимические особенности мерзлой зоны. Новосибирск: Наука; 1981. 153 с.

20. 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.

21. 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.

22. Шепелев В.В. Родниковые воды Якутии. Якутск: Якутское книжное изд-во; 1987. 127 с.

23. Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны. Новосибирск: Гео; 2011. 167 с.

24. 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)

25. 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.

26. 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.

27. 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.