sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556624060043AKLQLYsergeogr-2839Research ArticleПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМNATURAL PROCESSES AND DYNAMICS OF GEOSYSTEMSПричины и закономерности быстрых изменений состава взвесей в малой городской реке СетуньDrivers and Features of Rapid Suspended Sediment Composition Changes in the Small Urban River SetunЧаловС. Р.ChalovS. R.

Москва

Moscow

ЛошковО. Д.LoshkovО. D.

Москва

Moscow

КрастыньЕ. А.KrastynE. A.

Москва

Moscow

krastyn-e@mail.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation202404052025886893901Copyright © Чалов С.Р., Лошков О.Д., Крастынь Е.А., 20252025Чалов С.Р., Лошков О.Д., Крастынь Е.А.Chalov S.R., Loshkov О.D., Krastyn E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/2839

Современные измерительные технологии открывают новые горизонты в изучении природных явлений, в том числе связанных с гидрологическими процессами, и в частности — транспортом наносов. В статье обсуждаются результаты натурных экспериментов с лазерным дифрактометром LISST-200X, единственным в мировой практике средством регистрации крупности взвеси и мутности воды в потоке. Исследования были выполнены в начале 2024 г. в нижнем течении р. Сетуни, являющейся крупнейшим притоком р. Москвы в пределах г. Москвы, и представляли собой высокочастотные (с дискретностью 10 сек) продолжительные записи (всего 49 ч) характеристик транспорта взвесей в потоке. Совмещение с отборами проб на измерение оптической и весовой мутности позволило определить ограничения использования средств измерений подобного типа. Воспроизводимость гранулометрического состава взвешенных наносов по данным высокочастотного мониторинга оказалась хуже, чем их концентрации. Данные LISST-200X в среднем почти в 2 раза завышают величину крупности взвеси по сравнению с лабораторным определением крупности, что частично объясняется включением в измеряемый диапазон крупных частиц (более 500 мкм), однако стабильно воспроизводят относительные изменения гранулометрического состава. В ходе экспериментов на р. Сетуни выявлены непродолжительные (до 95 мин) увеличения мутности и крупности взвеси (плюмы), вероятнее всего имеющие антропогенный генезис, и характеризующиеся гистерезисными связями между мутностью воды и составом взвесей. Во всех случаях на волне подъема мутности крупность взвешенных наносов ниже, чем на спаде. Этот результат характеризует ранее неисследованный феномен транспорта наносов ниже участков их точечного поступления в русловые потоки — гидравлическую сортировку по длине реки, когда более легкие частицы перемещаются быстрее более крупных и тяжелых частиц (в том числе органических). Полученные оценки представляются важными как для мониторинга антропогенного воздействия, так и для развития теории речных наносов.

This article discusses the results of field experiments in the lower reaches of the Setun River, the largest tributary of the Moscow River within the city of Moscow, based on the LISST-200X diffractometer, which measures suspended sediment concentration (SSC) and particle size through laser diffraction. The research was conducted in early 2024, and involved high-frequency (10-second interval) long-term recordings (49 h in total) of sediment transport characteristics. The combination of these measurements with sampling for optical and gravimetric turbidity allowed for the identification of limitations in the use of such measurement tools. The reproducibility of the granulometric composition of suspended sediments based on high-frequency monitoring was found to be worse than that of their concentrations. The LISST-200X data, on average, overestimated the particle size by nearly two times compared to laboratory measurements, which can be partially explained by the inclusion of larger particles (over 500 µm) in the measured range; however, it consistently reproduced relative changes in granulometric composition. During the experiments on the Setun River, short-term (up to 95 min) increases in turbidity and particle size (plumes) were identified, likely of anthropogenic origin, characterized by hysteresis relationships between SSC and sediment composition. In all cases, during the rise in SSC, the size of suspended sediments was lower than during its decline. This result highlights a previously unexplored phenomenon of sediment transport downstream from point sources into channel flows, that shows hydraulic sorting along the river length, where lighter particles move faster than larger and heavier particles (including organic ones). The obtained estimates are significant for both monitoring anthropogenic impacts and advancing the theory of river sediments.

LISSTлазерная дифракциявзвешенные наносыгранулометрический составвысокочастотный мониторингLISSTlaser diffractionsuspended sedimentssediment grain sizeeffluentПолевые исследования выполнены за счет гранта РНФ № 19-77-30004, обработка данных сетевых наблюдений — в рамках Проекта Министерства Образования и Науки Российской Федерации № 075-15-2025-008.The field research was carried out at the expense of the RSF grant no. 19-77-30004, the processing of network observation data was carried out within the framework of the Ministry of Science and Higher Education of Russian Federation project no. 075-15-2025-008.ReferencesЛопатин Г.В. Наносы рек СССР (Образование и перенос). Географгиз, 1952.Bouchez J., Gaillardet J., France-Lanord C., Maurice L., Dutra-Maia P. Grain size control of river suspended sediment geochemistry: Clues from Amazon River depth profiles. Geochem. Geophys. Geosyst., 2011, vol. 12, no. 3. https://doi.org/10.1029/2010GC003380Чалов С.Р., Ефимов В.А. Механический состав взвешенных наносов: классификации, характеристики, пространственная изменчивость // Вестн. МГУ. Серия 5. География. 2021. Вып. 5. С. 91–103.Chalov S.R., Efimov V.A. Suspended sediment grain size: Classification, features and spatial variability. Vestn. Mosk. Univ., Ser. 5: Geogr., 2021, vol. 5, pp. 91–103. (In Russ.).Чалов С., Платонов В., Морейдо В., Самохин М., Ярынич Ю., Коршунова Н., Болгов М., Касимов Н. Реакция водного стока малой городской реки на экстремальные дождевые осадки на территории Москвы в 2020 и 2021 гг. // Метеорология и Гидрология. 2023. Вып. 2. С. 69–79. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2023-2-69-79Chalov S., Moreido V., Sharapova E., Efimova L., Efimov V., Lychagin M., Kasimov N. Hydrodynamic controls of particulate metals partitioning along the lower Selenga river — Main Tributary of the lake Baikal. Water, 2020, vol. 12, no. 5, art. 1345. https://doi.org/10.3390/w12051345Чалов С.Р., Цыпленков А.С. Роль крупномасштабной турбулентности в изменении мутности речных вод // Вестн. Моск. ун-та. Серия 6. География. 2020. Вып. 3. С. 34–46.Chalov S., Platonov V., Morejdo V., Samohin M., Yarynich Yu., Korshunova N., Bolgov M., Kasimov N. Small urban river runoff response to 2020 and 2021 extreme rainfalls on the territory of Moscow. Russ. Meteorol. Hydrol., 2023, vol. 48, no. 2, pp. 138–146. https://doi.org/10.3103/s1068373923020061Bouchez J., Gaillardet J., France-Lanord C., Maurice L., Dutra-Maia P. Grain size control of river suspended sediment geochemistry: Clues from Amazon River depth profiles // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2011. Vol. 12. № 3. Q03008. https://doi.org/10.1029/2010GC003380Chalov S.R., Tsyplenkov A.S. Large-scale turbulence and water turbidity. Vestn. Mosk. Univ., Ser. 5: Geogr., 2020, vol. 3, pp. 34–46. (In Russ.).Chalov S., Moreido V., Sharapova E., Efimova L., Efimov V., Lychagin M., Kasimov N. Hydrodynamic Controls of Particulate Metals Partitioning Along the Lower Selenga River — Main Tributary of The Lake Baikal // Water. 2020. Vol. 12. № 5. 1345 p. https://doi.org/10.3390/w12051345Felix D., Albayrak I., Boes R.M. In-situ investigation on real-time suspended sediment measurement techniques: Turbidimetry, acoustic attenuation, laser diffraction (LISST) and vibrating tube densimetry. Int. J. Sediment Res., 2018, vol. 33, no. 1, pp. 3–17. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2017.11.003Felix D., Albayrak I., Boes R.M. In-situ investigation on real-time suspended sediment measurement techniques: Turbidimetry, acoustic attenuation, laser diffraction (LISST) and vibrating tube densimetry // Int. J. of Sediment Res. 2018. Vol. 33. № 1. P. 3–17. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2017.11.003Gao J.H., Jia J., Wang Y.P., Yang Y., Li J., Bai F., Zou X., Gao S. Variations in quantity, composition and grain size of Changjiang sediment discharging into the sea in response to human activities. Hydrol. Earth Syst. Sci., 2015, vol. 19, pp. 645–655. https://doi.org/10.5194/hess-19-645-2015Gao J.H., Jia J., Wang Y.P., Yang Y., Li J., Bai F., Zou X., Gao S. Variations in quantity, composition and grain size of Changjiang sediment discharging into the sea in response to human activities // Hydrology and Earth System Sci. 2015. Vol. 19. P. 645–655. https://doi.org/10.5194/hess-19-645-2015Guy P.H. Fluvial sediment concepts. USGS, book 3, vol. 55, 1970.Guy P.H. Fluvial sediment concepts / U.S. Geological Survey. 1970. Book 3. Vol. 55.Lopatin G.V. Nanosy rek SSSR (Obrazovanie i perenos) [River Sediments in USSR (Formation and transport)]. Geografgiz, 1952.Lupker M., France-Lanord C., Lavé J., Bouchez J., Galy V., Métivier F., Gaillardet J., Lartiges B., Mugnier J.L. A Rouse-based method to integrate the chemical composition of river sediments: Application to the Ganga basin // J. of Geophysical Res.: Earth Surface. 2011. Vol. 116. № F04012. https://doi.org/10.1029/2010JF001947Lupker M., France-Lanord C., Lavé J., Bouchez J., Galy V., Métivier F., Gaillardet J., Lartiges B., Mugnier J.L. A rouse-based method to integrate the chemical composition of river sediments: Application to the Ganga basin. J. Geophys. Res. Earth Surf., 2011, vol. 116, art. F04012. https://doi.org/10.1029/2010JF001947Reid L.M., Dunne T. Sediment budgets as an organizing framework in fluvial geomorphology // In Tools in Fluvial Geomorphology. 2016. P. 357–380. https://doi.org/10.1002/9781118648551.ch16Reid L.M., Dunne T. Sediment budgets as an organizing framework in fluvial geomorphology. In Tools in Fluvial Geomorphology, 2016, pp. 357–380. https://doi.org/10.1002/9781118648551.ch16Sidorchuk A.Y. High-frequency variability of aggregate transport under water erosion of well-structured soils // Eurasian Soil Sci. 2009. Vol. 42. № 5. P. 543–552. https://doi.org/10.1134/s106422930905010XSidorchuk A.Y. High-frequency variability of aggregate transport under water erosion of well-structured soils. Eurasian Soil Sci., 2009, vol. 42, no. 5, pp. 543–552. https://doi.org/10.1134/s106422930905010XSokolov D.I., et al. Impact of Mozhaysk dam on the Moscow river sediment transport // Geography. Environment. Sustainability. 2020. Vol. 13. № 4.Sokolov D.I., et al. Impact of Mozhaysk dam on the Moscow river sediment transport. Geogr. Environ. Sustain., 2020, vol. 13, no. 4.Syvitski J.P. M., Milliman J.D. Geology, geography, and humans battle for dominance over the delivery of fluvial sediment to the coastal ocean // J. of Geology. 2007. Vol. 115. P. 1–19.Syvitski J.P. M., Milliman J.D. Geology, geography, and humans battle for dominance over the delivery of fluvial sediment to the coastal ocean. J. Geol., 2007, vol. 115, pp. 1–19.Szupiany R.N., Lopez Weibel C., Guerrero M., Latosinski F., Wood M., Dominguez Ruben L., Oberg K. Estimating sand concentrations using ADCP-based acoustic inversion in a large fluvial system characterized by bi-modal suspended-sediment distributions // Earth Surface Processes and Landforms. 2019. Vol. 44. № 6. P. 1295–1308. doi: 10.1002/esp.4572Szupiany R.N., Lopez Weibel C., Guerrero M., Latosinski F., Wood M., Dominguez Ruben L., Oberg K. Estimating sand concentrations using ADCP-based acoustic inversion in a large fluvial system characterized by bi-modal suspended-sediment distributions. Earth Surf. Process. Landf., 2019, vol. 44, no. 6, pp. 1295–1308. https://doi.org/10.1002/esp.4572Xu J. Grain-size characteristics of suspended sediment in the Yellow River, China // Catena. 2000. Vol. 38. № 3. P. 243–263. https://doi.org/10.1016/s0341–8162(99)00070–3Xu J. Grain-size characteristics of suspended sediment in the Yellow River, China. Catena, 2000, vol. 38, no. 3, pp. 243–263. https://doi.org/10.1016/s0341–8162(99)00070–3Zhao L., Boufadel M.C., King T., Robinson B., Conmy R., Lee K. Impact of particle concentration and out-ofrange sizes on the measurements of the LISST // Measurement Science and Technology. 2018. Vol. 29. № 5.Zhao L., Boufadel M.C., King T., Robinson B., Conmy R., Lee K. Impact of particle concentration and out-of-range sizes on the measurements of the LISST. Meas.Sci. Technol., 2018, vol. 29, no. 5.

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