Как урбанизация изменила гидрологический режим крупнейшего притока Москвы-реки.
Опубликованы результаты многолетних исследований стока воды и взвешенных наносов реки Сетунь ‒ крупнейшего правого притока Москвы-реки в черте столицы. Впервые для малой городской реки проведена комплексная оценка гидрологического режима на основе данных высокочастотного мониторинга. Работа выполнена учеными географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института водных проблем РАН.
Водосбор Сетуни площадью 190 кв. км полностью расположен в пределах Московского столичного региона. Ученых интересовало, как урбанизация одной из крупнейших городских агломераций в мире повлияла на характеристики стока реки Сетунь, прежде всего ‒ на величину и время прохождения паводков, и как изменился транспорт взвешенных наносов за последние 45 лет. Для этого городская река была взята под наблюдение с помощью датчиков для регистрации атмосферных осадков, измерения стока и наносов.
С ноября 2019 года на реке Сетунь действует уникальная сеть высокочастотного гидрологического мониторинга, включающая пять автоматических станций, расположенных от верховий до устья реки. Полученные данные сравнивались с цифрами среднесуточных расходов воды гидрологического поста, функционировавшего на Сетуни в 1979-1988 гг. Кроме того, проводились детальные измерения состава взвешенных наносов с определением концентрации и гранулометрического состава взвеси.
Детальный геопространственный анализ территории показал, что 38% площади водосбора реки Сетунь занято водонепроницаемыми покрытиями (асфальт, бетон, кровли зданий и другие урбанизированные поверхности).
«Увеличение площади селитебных территорий по сравнению со второй половиной XX века, а также участившиеся зимние оттепели существенным образом изменили структуру годового стока реки. Главным источником питания стали дождевые осадки, которые дают 22-33% объема стока, в то время как доля весенних паводков снизилась до 3,8-16,7% годового стока», ‒ рассказал один из авторов исследования, завлабораторией эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, профессор Сергей Чалов.
Пик многоводности на Сетуни приходится на летний период. Это свидетельствует о серьезных изменениях гидрологического режима, в котором нарушено сезонное распределение стока. В естественных условиях в реках средней полосы пик многоводности приходится на весенний период и связан с таянием снежного покрова.
Согласно полученным результатам, водность весеннего половодья по сравнению со второй половиной XX века уменьшилась вдвое, а повторяемость паводков демонстрирует почти десятикратный рост. На Сетуни фиксируется до 29 кратковременных паводков в год при очень быстром отклике водосбора на ливневые осадки.
Один из ключевых выводов исследования касается увеличения переноса взвешенных наносов, или мощности потока наносов. Этот показатель увеличился в 3-4 раза по сравнению с естественными условиями.
Отдельный раздел исследования посвящён применению моделей машинного обучения для количественной оценки взвешенных наносов, или мутности воды при различном временном разрешении – от 30 минут до 1 суток. В качестве предикторов использовались данные об уровне и расходе воды, атмосферных осадках, температуре воздуха и их производные.
«Мы опробовали пять разных моделей. Наилучшие результаты показала рекуррентная нейросеть LSTM RNN (Long Short-Term Memory) для прогноза суточных значений мутности воды, которая с минимальной ошибкой определила время наступления и абсолютную величину пиков мутности. Нейросеть LSTM RNN является оптимальным из рассмотренных методов прогнозирования мутности воды и имеет существенные преимущества в задачах, где важные события разделены временными лагами неопределённой продолжительности», ‒ сообщила один из авторов исследования, инженер Института водных проблем РАН Ирина Денисова.
Результаты мониторинга р. Сетунь имеют важное практическое значение. Изменение гидрологического режима ‒ нарушение сезонного распределения расходов воды, кратное увеличение частоты паводков (до 29 в год), рост стока наносов ‒ ежегодно приводит к наводнениям в долине реки, нанося ущерб городской инфраструктуре. Полученные данные формируют основу для управления поверхностным стоком, проектирования ливневых сооружений и экологического мониторинга водных объектов Москвы.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ, сообщает пресс-служба географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Статья опубликована в международном журнале Urban Climate (Q1).