Причины и закономерности быстрых изменений состава взвесей в малой городской реке Сетунь

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.

1. Лопатин Г.В. Наносы рек СССР (Образование и перенос). Географгиз, 1952.

2. Чалов С.Р., Ефимов В.А. Механический состав взвешенных наносов: классификации, характеристики, пространственная изменчивость // Вестн. МГУ. Серия 5. География. 2021. Вып. 5. С. 91–103.

3. 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/10.52002/0130-2906-2023-2-69-79

4. Чалов 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.

5. 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 // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2011. Vol. 12. № 3. Q03008. https://doi.org/10.1029/2010GC003380

6. 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/w12051345

7. Felix 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.2017.11.003

8. Gao 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-19-645-2015

9. Guy P.H. Fluvial sediment concepts / U.S. Geological Survey. 1970. Book 3. Vol. 55.

10. 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/10.1029/2010JF001947

11. Reid 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.ch16

12. Sidorchuk 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/s106422930905010X

13. Sokolov D.I., et al. Impact of Mozhaysk dam on the Moscow river sediment transport // Geography. Environment. Sustainability. 2020. Vol. 13. № 4.

14. 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.

15. 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.4572

16. Xu 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)00070–3

17. Zhao 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.