Научная проблема, на решение которой направлен проект.
Определение вклада различных источников питания, главным образом талых ледниковых вод, в сток горных рек юго-
восточного Алтая.
Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.
Юго-Восточный Алтай отличается аридным климатом и относится к проблемным территориям с точки зрения
обеспечения водными ресурсами. Реки ледникового происхождения оказывают большое влияние на хозяйственную
деятельность местного населения. В то же время, в последнее время скорость деградации оледенения увеличилась.
Точная количественная оценка вклада современного оледенения и прочих источников питания в сток горных рек с
применением изотопного метода необходима для оценки возможных изменений в водном балансе этой территории в
условиях изменяющегося климата и дальнейшей деградации оледенения.
Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.
Цель проекта - оценка вклада современного оледенения и других источников питания в сток реки Чаганузун (верхняя
часть бассейна реки Чуя). Оценка изменчивости этого вклада в пространстве (по мере удаления от ледника) и во
времени (за сезон абляции).
Для достижения этой цели будут решаться следующие задачи:
1) Определение изотопных характеристик и общей минерализации источников питания ледниковых рек Южно-
Чуйского хребта.
2) Разделение с использованием полученных данных гидрографа стока на составляющие по источникам питания.
3) Оценка зависимости изменения долей различных источников питания от изменения метеорологических
параметров.
Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.
В данном проекте, кроме стандартных подходов, предполагается сделать упор на использование стабильных изотопов
воды (дейтерия и кислорода-18) в качестве маркеров происхождения воды для решения вопроса о вкладе различных
компонентов в сток ледниковых рек.
Использование концентраций стабильных изотопов кислорода и дейтерия в воде являются одним из самых передовых
направлений современных гидрологических и гляциологических исследований. В горах России изучение изотопного
состава ледниковых рек в наиболее полном объеме проводились в Кавказских горах, на базе гляциологического
стационара Джанкуат. Горы Сибири, в частности Алтай, охвачены подобными исследованиями недостаточно широко. На
территории Юго-Восточного Алтая работы по изотопной индикации вклада различных составляющих в сток
ледниковых рек проводились ранее только коллективом, частью которого является руководитель заявки.
В целом стоит отметить, что гидрографическая сеть Юго-Восточного Алтая в настоящее время охвачена
гидрологическими наблюдениями недостаточно полно (практическое отсутствие гидрологических постов), поэтому
существует запрос на получение новой и актуализацию имеющейся информации о водотоках этой территории.
Достижимость решения поставленных задач обеспечивается опытом членов коллектива как в изотопных
исследованиях, так и в полевых работах в высокогорных районах Алтая, а также наличием доступа к высокоточному
лабораторному оборудованию.
Современное состояние исследований по данной проблеме.
Использование природных изотопных индикаторов (environmental tracers), в частности, изотопного состава природных
вод (содержаний дейтерия – 2H и кислорода-18 – 18O) для решения гидрологических, климатологических и
гляциологических задач являются одним из передовых направлений развития в науках о Земле.
Ряд работ последнего времени подтверждает, что в районах с развитым современным горным оледенением
применение изотопной информации особенно эффективно, вследствие широкой шкалы вариаций дейтерия и
кислорода-18 [Cable et al., 2011; Liang et al., 2011; Willson et al., 2014].
Для определения генезиса речного стока и выявлении доминирующих источников питания реки в современных научных исследованиях широко применяется статистическая модель анализа смешения конечных компонентов EMMA
(End Member Mixing Analysis). Модель основана на использовании природных химических трассеров [Barthold et al.,
2011; Гарцман, Шамов, 2015]. Важным условием использования модели EMMA является наличие информации о
фоновых концентрациях трассеров. В число трассеров могут входить как макрокомпоненты и микроэлементы, так и
стабильные изотопы кислорода [Christophersen, Hooper, 1992; Kendall, McDonnell, 1998]. Однако пространственно-
временное распределение трассеров часто недостаточно точно известно, а исходные концентрации трассеров не
всегда могут быть точно установлены, что может приводить к значительным ошибкам. Для разделения гидрографов
рек, имеющих ледниковое питание, использование модели EMMA выглядит излишним, так как достаточно в качестве
трассеров использовать стабильные изотопы кислорода и водорода и общую минерализацию воды.
В России работы по изотопному разделению гидрографа стока ледниковых рек проиодились в течение нескольких лет
на территории Центрального Кавказа на примере стока с ледника Джанкуат, в основном силами МГУ им. М.В.
Ломоносова [Васильчук и др., 2016; Чижова и др., 2014; Чижова и др., 2016, Rets et al., 2019]. Для Средней Азии, по-
видимому, наиболее крупномасштабным исследованием, выполненным с участием российских ученых и
использовавшем данные об изотопном составе природных вод, были работы, выполненные в бассейне реки Нарын
(Киргизия) с целью изучения условий формирования водного баланса Токтогульского водохранилища (проект
Международного научно-технического центра) [Токарев и др., 2010].
Ближайшие к Юго-Восточному Алтаю комплексные изотопно-гидрологические исследования были проведены на
территории Китая. С помощью стабильных изотопов был разделен сток реки Урумчи [Sun et al., 2015]. Схожие
исследование проводились и на Тибетском плато [Zhao et al., 2011; Wang et al., 2016; Li et al., 2015; Fan et al., 2016].
Также работы по изотопному разделению стока проводились в горных районах юго-западного Китая [Meng et al.,
2015]. Одним из объектов комплексных изотопных исследований являлась река Ланканг [Yang et al., 2019].
Для Алтая изотопные исследования в первую очередь связаны с глубоким керновым бурением ледников на плато г.
Белухи [Aizen et al., 2005] и на территории массива Цамбагарав [Herren et al., 2013].
Также для горного Алтая и его предгорий группой исследователей из Института водных и экологических проблем СО
РАН был налажен сбор и изотопный анализ атмосферных осадков, а также было проведено сравнение полученных
результатов с модельными данными [Папина и др., 2015; Малыгина и др., 2017; Малыгина и др., 2019].
Непосредственно в районах проведения полевых работ по данному проекту (Южно-Чуйский хребет) изотопных
исследований стока не было. Для рек Республики Алтай ранее был проведен анализ генетических составляющих стока
рек для выявления преобладающих источников питания на основе построения типовых гидрографов и последующим их
графическим расчленением [Аванесян, 2013].
В целом с точки зрения гидрологической изученности выбранный для исследования бассейн реки Чуя изучен
недостаточно. На сегодняшний день в верхней части бассейна Чуи нет ни одного действующего гидрологического
поста.
На территории Южно-Чуйского хребта по данным современных гляциологических исследований в период с 2008 по
2017 гг. площадь оледенения сократилась на 0,87% [Торопов и др. 2020], что еще раз подчеркивает важность оценок
влияния сокращения оледенения на речной сток.
Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.
В основе проекта лежит использование изотопного метода в гидрологии, а конкретно - разделение стока с использованием изотопных и геохимических данных. В основе разделения лежит совместное решение уравнений
изотопного, ионного (солевого) и водного баланса. В качестве основных трассеров для двукомпонентного расчленения
планируется использовать стабильные изотопные воды, а в качестве дополнительного маркера для уточнения
результатов и выделения третьего компонента будет использоваться общая минерализация.
Определение изотопных характеристик будет проводиться в Лаборатории изменения климата и окружающей среды
ААНИИ на лазерных анализаторах изотопного состава с точностью +\- 0,06 промилле для кислорода-18 и 0,30 промилле
для дейтерия, что достаточно для достижения цели проекта.
Во время экспедиционных работ планируется организация временных водомерных постов на реках. Будут
определены расходы, что необходимо для последующего разделения гидрографа стока. Расходы будут определяться
как гидрометрической вертушкой ИСП-1 и поплавками, так и с использованием метода ионного паводка. Изменение
уровня на постах будет фиксироваться с помощью автоматических уровнемеров.
Пробы воды будут отбираться с поверхности водотоков на водомерных постах дважды в сутки или после выпадения
осадков. Также пробы воды будут отбираться по течению рек через определенные промежутки или после впадения
значительных притоков во время маршрутов. Общая минерализация в точках отбора будет определяться портативными
кондуктометрами. Пробы льда будут отбираться с поверхности ледника, пробы снега и фирна – из шурфов.
В рамках проекта планируется организация двух экспедиций в летние месяцы 2023 и 2024 годов. Район исследования
– Южно-Чуйский хребет, бассейн реки Чаганузун. За два года реализации проекта работы планируется проводить в
долинах рек Талдура, Аккол, а также на крупнейших ледниках массива: Большая Талдура и Софийский.
Комплекс запланированных полевых работ в 2023 году будет включать следующее:
1) Организация временного гидрологического поста у края ледника Большая Талдура.
2) Организация временного гидрологического поста на реке Талдура ниже по течению, до впадения реки Чаган.
3) Непрерывные наблюдения за уровнем воды и измерения расхода на двух гидрологических постах.
4) Отбор проб речной воды на изотопный анализ и измерение общей минерализации дважды в день: во время пика
таяния (с учетом добегания талых вод) и при минимальном уровне. Дополнительный отбор проб будет проводиться
после выпадения осадков.
5) Отбор проб ледникового льда в зонах абляции ледника Большая Талдура.
6) Отбор сезонного снега из шурфов в зонах аккумуляции ледника Большая Талдура.
7) Отбор событийных осадков как у краев ледников, так и ниже по долине.
8) Поиск мест разгрузки грунтовых вод, отбор проб и определение общей минерализации
9) Отбор проб из притоков реки Талдура.
10) Отбор проб воды по течению реки Талдура в начале, середине и конце сезона абляции.
11) Организация метеорологических наблюдений за температурой, влажностью воздуха и количеством осадков в
местах установления двух гидрологических постов.
Комплекс запланированных полевых работ в 2024 году будет включать следующее:
1) Организация временного гидрологического поста у края ледника Софийский.
2) Организация временного гидрологического поста на реке Чаган (в верховьях - Аккол) ниже по течению, до впадения
в реку Талдура.
3) Непрерывные наблюдения за уровнем воды и измерения расхода на двух гидрологических постах.
4) Отбор проб речной воды на изотопный анализ и измерение общей минерализации дважды в день: во время пика
таяния (с учетом добегания талых вод) и при минимальном уровне. Дополнительный отбор проб будет проводиться
после выпадения осадков.
5) Отбор проб ледникового льда в зонах абляции ледника Софийский.
6) Отбор сезонного снега из шурфов в зонах аккумуляции ледника Софийский.
7) Отбор событийных осадков как у краев ледников, так и ниже по долине.
8) Поиск мест разгрузки грунтовых вод, отбор проб и определение общей минерализации
9) Отбор проб из притоков реки Чаган, в частности из крупнейшего притока – реки Карааюк.
10) Отбор проб воды по течению реки Чаган (Аккол) в начале, середине и конце сезона абляции.
11) Организация метеорологических наблюдений за температурой, влажностью воздуха и количеством осадков в
местах установления двух гидрологических постов.
12) Повторный отбор проб из реки Талдура.
13) Отбор проб воды в реке Чаганузун (образуется после слияния рек Чаган и Талдура) до впадения в реку Чуя.
По результатам обработки полученных в 2023 г. материалов будут получены средние изотопные характеристики
ледникового льда, снега, талых вод, грунтовых вод, событийных атмосферных осадков в долине реки Талдура. Будут
построены линии метеорных вод для всех групп образцов.
Будут построены суточные гидрографы стока для реки Талдура на двух временных гидрологических постах.
С помощью уравнения изотопного баланса и при привлечении общей минерализации в качестве дополнительного
маркера будет проведено разделение гидрографа стока на составляющие по источникам питания.
Будет количественно оценен вклад ледникового питания в сток реки Талдура и изменчивость этого вклада как во
времени (в начале, середине и в конце сезона абляции), так и по течению реки после впадения притоков
неледникового происхождения.
Будет оценена зависимость вклада талых ледниковых вод в сток от метеорологических параметров, измеренных во
время полевых работ. Также полученные в высокогорьях Южно-Чуйского хребта метеорологические данные будут
сопоставляться с данными ближайшей метеостанции (Кош-Агач), для составления статистических зависимостей.
В 2023 году планируется подготовить одну публикацию в международных рецензируемых журналах, входящих в базы
данных WOS/Scopus и одну, входящую в список РИНЦ. Также будет подготовлен промежуточный отчет по проекту.
По результатам обработки полученных в 2024 данных будут получены средние изотопные характеристики
ледникового льда, снега, талых вод, грунтовых вод, событийных атмосферных осадков в долине реки Чаган (Аккол).
Будут построены линии метеорных вод для всех групп образцов.
Будут построены суточные гидрографы стока для реки Чаган (Аккол) на двух временных гидрологических постах.
С помощью уравнения изотопного баланса и при привлечении общей минерализации в качестве дополнительного
маркера будет проведено разделение гидрографа стока на составляющие по типу питания.
Будет количественно оценен вклад ледникового питания в сток реки Чаган и изменчивость этого вклада как во времени
(в начале, середине и в конце сезона абляции), так и по течению реки после впадения притоков неледникового
происхождения.
В целом для крупного притока реки Чуя, реки Чаганузун будет определена доля ледникового питания и ее
изменчивость во времени и пространстве.
Будет оценена зависимость вклада талых ледниковых вод в сток от метеорологических параметров, измеренных во
время полевых работ. Будут уточнены полученные в 2023 году зависимости метеорологических рядов на станции Кош-
Агач с измеренными метеорологическими характеристиками на территории Южно-Чуйского хребта.
В 2024 году планируется подготовить две публикации в международных рецензируемых журналах, входящих в базы
данных WOS/Scopus, две публикации в журналах, входящих в РИНЦ. В установленные сроки будет подготовлен отчет
по проекту.
Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту.
Д.В. Банцев имеет большой опыт применения стабильных изотопов в гидрологии и гляциологии. Применение
изотопного метода для выделения стокоформирующих компонентов уже было успешно осуществлено Д.В. Банцевым
на территории массивов Табын-Богдо-Ола, Цамбагарав, Монгун-Тайга, что отражено в его публикациях (см. форма 2).
Районы предыдущих изотопно-гидрологических исследований руководителя проекта относятся к Юго-Восточному
Алтаю, как и предполагаемый район работ по теме данного проекта. Совместно с Распутиной В.А. руководитель
проводил гидрологические обследования прорывоопасных приледниковых озер Юго-Восточного Алтая.
В.А. Распутина имеет хорошую теоретическую подготовку, а также достаточный опыт выполнения полевых
гидрологических исследований. В качестве инженера-гидролога в 2019 г. и в 2021 г. принимала участие в экспедициях
на Алтай и в Монголию, которые были направлены на выявление и изучение потенциально прорывоопасных
приледниковых озёр. В настоящий момент времени обучается в аспирантуре СПбГУ по направлению «География» и
занимается вопросами формирования прорывного паводка в результате разных механизмов прорывов моренных
приледниковых озёр.
А.В.Козачек имеет опыт применения изотопного метода в гляциологии, гидрологии и метеорологии. Её сфера научных
интересов касается вопросов реконструкции изменений климата по данным об изотопном составе ледяных кернов,
исследованию генетических составляющих речного стока по данным об изотопном составе воды и анализу циркуляции
атмосферы по данным об изотопном составе водяного пара в атмосфере. Подавляющее большинство изотопных проб
для работ, произведенных ранее Банцевым Д.В. было измерено в лаборатории ЛИКОС ААНИИ А.В. Козачек.
Г.А. Тюсов обладает опытом расчета слоя и объема стока для водосборов ряда ГЭС (Волжско-Камский каскад, Зейская,
Сачно-Шушенская) по данным климатического моделирования и оценки климатообусловленного изменения стока в XXI
веке. Г.А. Тюсов принимал участие в высокогорных экспедициях, в том числе на территорию Юго-Восточного Алтая.
Научные публикации по тематике исследования:
1. Bantcev D., Ganyushkin D., Ekaykin A., Chistyakov K., Terekhov A., Tokarev I. Isotopic Composition of Glacier Ice and Meltwater in the Arid Parts of the Altai Mountains (Central Asia) // Water (Switzerland). 2022. Т. 14. № 2. DOI: 10.3390/w14020252
2. Банцев Д.В., Ганюшкин Д.А., Екайкин А.А., Токарев И.В., Чистяков К.В. Изотопный состав льда ледников Юго-Восточного Алтая // В книге: Роль криосферы в прошлом, настоящем и будущем Земли. Тезисы докладов. 2020. С. 18.
3. Bantcev D.V., Ganyushkin D.A., Chistyakov K.V., Volkov I.V., Ekaykin A.A., Veres A.N., Shtykova N.B., Andreeva T.A., Tokarev I.V. The Components of the Glacial Runoff of the Tsambagarav Massif from Stable Water Isotope Data // Geosciences (Switzerland). 2019. Т. 9. № 7. С. 297. DOI: 10.3390/geosciences9070297
4. Банцев Д., Ганюшкин Д., Екайкин А. Использование изотопного метода при изучении особенностей формирования ледникового стока в аридных высокогорьях Юго-Восточного Алтая // В сборнике: Theory and Methods of Polar Science. Proceedings of International youth scientific conference on the polar geodesy, glaciology, hydrology and geophysics, 2018. С. 35-43.
5. Банцев Д.В., Ганюшкин Д.А., Чистяков К.В., Екайкин А.А., Токарев И.В., Волков И.В. Особенности формирования ледникового стока на северном макросклоне массива Табын-Богдо-Ола по изотопным данным // Лёд и снег. 2018. Т. 58. № 3. С. 333-342. DOI: 10.15356/2076-6734-2018-3-333-342.
Защищенные диссертации:
1. Банцев Д.В. Изотопный состав компонентов нивально-гляциальных систем Юго-Восточного Алтая как индикатор их стокоформирующих особенностей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. Санкт-Петербург, 2020. 93 с.
