№ 22-27-00818 Влияние длительного маловодья и изменений климата (на рубеже XX-XXI веков) на динамику взвешенного вещества в устьевой области Дона.

Название проекта  22-27-00818
Влияние длительного маловодья и изменений климата (на рубеже XX-XXI веков) на динамику взвешенного вещества в устьевой области Дона (скачать *.pdf)

Influence of long low water period and climate changes (at the turn of the XX-XXI centuries) on the dynamics of suspended matter in the estuary area of the river Don. (English version)

Руководитель проекта:
Бердников Сергей Владимирович, д.г.н.

Основные исполнили проекта:
Клещенков Алексей Владимирович, к.г.н.
Шевердяев Игорь Викторович, к.г.н.
Герасюк Виктория Сергеевна, м.н.с.
Вспомогательный персонал:
Кулыгин Валерий Валерьевич, к.т.н.
Лихтанская Наталия Викторовна, н.с.
Пляка Павел Стефанович, к.т.н.
 
Ключевые слова
 
Устьевая область Дона, маловодье, изменения климата, взаимодействие речных и морских вод, сгонно-нагонные явления, взвешенное вещество, геохимические процессы
 
Аннотация проекта
 
Продолжающийся период маловодья на Нижнем Дону, рост относительного уровня воды и солёности Азовского моря и Таганрогского залива, сильные сгонно-нагонные явления приводят к увеличению роли морских факторов в дельте и устьевой области Дона. Во время нагонов в дельту и выше по течению может поступать значительное количество взвеси из Таганрогского залива, проникать осолоненные воды. Твердый сток Дона существенно деформирован инженерными преобразованиями (строительство плотин и водохранилищ). В дополнение к существующим гидроузлам строится новый — Багаевский гидроузел. 

Проект № 22-27-00818 Российского научного фонда «Влияние длительного маловодья и изменений климата (на рубеже XX–XXI веков) на динамику взвешенного вещества в устьевой области Дона» направлен на оценку изменений, которые могут быть связаны с происходящими изменениями гидрологического режима, обусловленными усилением частоты нагонных явлений на фоне длительного маловодья. 

В период 2022–2023 гг. выполнены следующие работы и получены новые результаты.

Сформирована база данных морских экспедиционных работ в пределах водного континуума «Цимлянское водохранилище — Нижний Дон — дельта Дона — Таганрогский залив» в период длительного маловодья 2006–2020 годов. Накоплены и систематизированы наблюдения общего содержания взвеси, солености, концентрации растворённого и взвешенного органического вещества, концентрации хлорофилла-А, выполнена оценка их пространственной и сезонной изменчивости. 

С применением метода статистического моделирования WRTDS (Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season — Взвешенные регрессии по времени, расходу и сезону) и программного комплекса EGRET, получены новые количественные оценки твердого стока, стока растворенного органического углерода, хлорофилла-a, общего взвешенного вещества и взвешенного органического углерода с водами реки Дон в Азовское море в период маловодья 2009–2020 гг. 

Выявлено два типа процесса проникновения осолонённых вод в дельту р. Дон — при высоком (0,24–1,02 м балтийской системы (БС)) и при низком (-0,67–0,20 м БС) начальном уровне стояния воды в дельте. Выделено 3 типа синоптических процессов, при которых возможно проникновение осолонёных вод в дельту р. Дон: северный (глубокий циклон над Скандинавией, Норвежским или Баренцевым морями с давлением в центре 940–995 гПа, перемещающийся с запада на восток), умеренный (центр циклона над Польшей и Беларусью с давлением 980–1000 гПа) и южный (центр циклона с давлением 1000–1015 гПа проходит через Азовское море). Для северного типа характерна солёность 2,0–3,5 е.п.с., для умеренного — 1,15–3,5 е.п.с., для южного — 1,0–5,0 е.п.с.

Реализована гидрологическая модель устьевой области Дона с применением программного комплекса HEC-RAS (DonDeltaHECRAS), позволяющая имитировать динамику уровня в дельте Дона при сгонно-нагонных явлениях с учётом динамики речного стока. Параметры модели настроены по данным полевых измерений расходов в руслах дельты Дона, выполненных 13–15 сентября 2016 г. и проверены по измерениям 22–23 сентября 2014 г. 

Выполнена оценка стока соединений тяжелых металлов (ТМ), относящихся к группе наиболее опасных — никель, медь, свинец и кадмий, с водами реки Дон в устьевую область в растворенной и взвешенной формах в период 2009–2020 г. Установлено, что для всех исследуемых ТМ характерно повышенное содержание доли растворенных форм, для никеля, меди и кадмия она является ведущей, что связано с равнинным течением реки и низким твердым стоком реки. Лишь для свинца основной формой миграции является взвешенная, но ее доля значительно меньше, чем в реках мира. 

С применением гидрологической модели устьевой области Дона (DonDeltaHECRAS) и согласованной с ней модели динамики взвешенного вещества (DonDeltaBalanceModel) получен комплект сценарных расчётов динамики взвешенного вещества в устьевой области Дона при различных расходах воды на гидрологическом посту в ст. Раздорская (в пределах 300–600 м3/с, характерных для периода маловодья, в интервале от 1330 до 1550 м3/с в 2018 г.) и сгонно-нагонных колебаниях уровня в Таганрогском заливе с максимальным уровнем нагона 1,06 м (обеспеченность 85 %), 1,36–1,4 м (обеспеченность 37–29 %), 1,75–1,77 м (обеспеченность 54–59 %) и 3,7 м (обеспеченность 0,8 %). 

Для гидрологического режима в период нагона с применением модели DonDeltaHECRAS показано, что для районов устьевого взморья наблюдается сначала замедление скоростей течения, а затем течения разворачиваются в обратную сторону с увеличением скоростей вплоть до достижения пика уровня, который наступает раньше пика скорости. Затем скорости течения быстро падают до нуля, течения разворачиваются в направлении от реки к морю и восстанавливаются обычные значения. Чем более интенсивный нагон (выше максимальный уровень) и ниже речной расход, тем дальше от морского края дельты формируются обратные течения. Для районов поймы при нагонах характерны скорости подобные ближайшим русловым районам, однако могут быть пониженными из-за влияния растительного покрова.

С применением модели DonDeltaBalanceModel получены количественные оценки взвешенного вещества, оседающего в дельте Дона при нагонах разной обеспеченности, выполнено сравнение с твердым стоком, получен комплект сценарных расчётов динамики тяжёлых металлов в устьевой области Дона при различных расходах воды в ее вершине и сгонно-нагонных колебаниях уровня в Таганрогском заливе. 

Показано, что в современный период маловодья, в отсутствии затопления поймы дельты при паводках, морской фактор может быть основным механизмом загрязнения почв дельты Дона соединениями ТМ в результате их переноса с взвесью из Таганрогского залива.

Получены количественные оценки вклада дельты Дона и устьевого взморья в качестве фильтра на пути миграции химических соединений (тяжелые металлы и органическое вещество) в составе взвешенных наносов с речными водами в Азовское море. 

Сформулировано следующее положение о механизме влияния устьевой области на транспорт химических элементов в условиях действия морского фактора (нагоны разной обеспеченности) в отсутствии ярко выраженных половодий, существенной трансформации твердого стока из-за зарегулирования рек и в условиях роста солености Азовского моря.

1. В отсутствии нагонных явлений при незначительных расходах воды взвешенные вещества и мигрирующие в их составе химические соединения практически транзитом проходят дельту, незначительно осаждаясь в рукавах со слабыми скоростями, но в основном осаждаются на устьевом взморье за пределами морского края дельты.

2. При нагоне любой обеспеченности взвешенные вещества вместе с химическими соединениями в их составе, накопленные на устьевом взморье, под воздействием волнения насыщают воду и поступают на этапе подъема уровня в дельту, осаждаясь частично в рукавах, и частично на залитых водой пойменных участках дельты. При снижении уровня нагона, вещества, осевшие на пойменных участках дельты в основном там и остаются, а вещества, накопленные в русловых сегментах, выносятся за морской край дельты. При этом из рукавов дельты могут быть вынесены и вещества, накопленные там между нагонами.

3. Для условий маловодья, при наблюдаемой в период 2015–2020 гг. частоте нагонных явлений, при отсутствии паводков, устьевая область Дона задерживает в среднем 20 % взвешенных и мигрирующих в их составе химических соединений, поступающих со стоком р. Дон.

4. Рост солености Азовского моря и проникновение соленых вод в дельту увеличивают условия седиментогенеза в устьевой области не более чем на 15 %. Большее значение могут иметь пленка растворенного органического вещества на поверхности взвешенных частиц и наличие органического вещества в составе взвеси. Но здесь необходимы дополнительные исследования.

Сформулирован перечень задач для развития данного направления исследований или в составе действующих в ЮНЦ РАН лабораторий или в рамках сформированной междисциплинарной научной группы.
 

Результаты проекта в 2022-2023 гг. ( скачать *.pdf)

Перечень задач для развития данного направления исследований или в составе действующих в ЮНЦ РАН лабораторий или в рамках сформированной междисциплинарной научной группы.

Реализация проекта была направлена на проведение исследований в целях развития новых для научных коллективов тематик (в том числе, на определение объекта и предмета исследования, составление плана исследования, выбор методов исследования) и формирование исследовательских команд. 

 Гидрологические исследования. Результаты выполнения проекта являются основой в понимании гидрологических процессов в устьевой области Дона. Расширение области моделирования модели DonDeltaHECRAS вплоть до Должанской косы позволит полноценно моделировать не только нагоны, но и сгоны воды при восточном ветре. Кроме того, такое расширение позволит включить в модель динамику ветра, а значит и возможность прогнозирования развития сгонно-нагонной деятельности в устьевой зоне Дона с высокой детальностью. Краткосрочное прогнозирование имеет важное не только научное, но и практическое значение для устьевой области Дона. Долгосрочное прогнозирование на основе моделирования позволит предположить дальнейшую геоморфологическую судьбу дельты Дона и придельтового взморья. 

 Параметризация процессов седиментации взвешенного вещества и ресуспензии донных отложений требует дальнейшего изучения. Надо больше седиментационных ловушек поставить в пойменных районах дельты, в рукавах и, возможно, на устьевом взморье, для калибровки параметров модели. Необходимо рассмотреть вопросы дальнейшей трансформации соединений тяжелых металлов и органического углерода, попавшего в дельту, на аллювиальных почвах. Надо изучить роль пожаров и их связь с затоплением дельты при нагонах. Надо попробовать более тщательно учесть влияние растительности в дельте на седиментацию взвешенного вещества и химических веществ, мигрирующих в их составе. Все эти процессы будут изучаться в дальнейшем. Одним из актуальных направлений дальнейшего развития работ является понимание трансформации растворенных веществ, переносимых речным стоком через устьевую область. Надо понять могут ли водно-болотные угодия дельты влиять на транспорт растворенного органического вещества и как они могут трансформировать биогенный сток в море. Эти вопросы пока остались за рамками данного проекта. Требуются дополнительные полевые наблюдения в различных участках устьевой области. 

 Еще одним направлением развития исследований, вытекающим из полученных результатов работ, является изучение загрязнения ландшафтов дельты Дона морским пластиковым мусором во время нагонов. Такую оценку можно будет провести исходя из закономерностей частоты и обеспеченности затопления отдельных районов дельты Дона, учесть шероховатость пойменных участков. Дополнив в дальнейшем результаты расчетов материалами экспедиционных натурных наблюдений, можно будет установить фундаментальные закономерности судьбы пластикового мусора в устьевых областях рек.

Промежуточные результаты проекта в 2022 г.

Результаты расчета гидрологического режима в устьевой области Дона в период нагона 30 марта по 3 апреля 2016 г.
Выполнен расчет с максимальным уровнем  нагона 1,4 м и средним расходом воды в ст. Раздорская 413 м3/с для выявления участков русла и поймы дельты Дона, где скорости течений близки к нулевым значениям. Из-за формирования значительных уклонов водной поверхности в период нагона резко возрастает скорость течения воды, во многих рукавах течение изменяется на обратное. Формируются области, где скорость движения воды ослабевает при взаимодействии встречных стокового и нагонного потоков, взвесенесущая способность воды уменьшается и могут формироваться зоны активной седиментации взвеси. При выходе воды на пойму также уменьшаются скорости движения воды, при этом затопленные участки могут находится под водой от 5 до 78 часов. Наибольший интерес на следующих этапах работы представляет совмещение участков с низкими скоростями движения воды с участками, где соленость воды может находится в интервале 3-6 г/л из-за интрузии осолоненных вод из залива. Здесь также возникают условия повышенной седиментации взвешенного материала.
 
   
Презентация, скачать *.pptx  (~ 64 Mb)
 Скачать оптимизированный вариант презентации *.pdf  (2,3 Mb)

На английском языке:
 
The influence of long-term low water and climate change (at the turn of the 20th–21st centuries) on the dynamics of suspended solids in the Don estuarine area

Keywords: Estuary area of the river Don, low water period, climate change, river and sea waters interaction, surge phenomena, suspended matter, geochemical processes

 Influence of long low water period and climate changes (at the turn of the XX-XXI centuries) on the dynamics of suspended matter in the estuary area of the river Don.

Keywords: Estuary area of the river Don, low water period, climate change, river and sea waters interaction, surge phenomena, suspended matter, geochemical processes

Project summary

The project is aimed at obtaining new knowledge about the regularities of the functioning of the estuarine ecosystems of the World Ocean in the face of climate change and anthropogenic impacts, is intended to contribute to the implementation of the activities of United Nations Decade of Ocean Sciences for Sustainable Development (2021-2030).
 
The scientific problem to be solved by the project is the analysis and assessment of the consequences of the observed changes in the hydrological and hydrochemical regimes of the Sea of Azov during one of the longest periods of low water (low runoff of the Don River and increased advection of the Black Sea waters since 2007) and climatic anomalies at the turn of the XX-XXI centuries.
 
An important phenomenon in the evolution of the Sea of Azov is the change in the lateral fluxes of matter into the Sea of Azov, namely: a) a general large decrease in the supply of solid matter, change in the absolute values and the relative contribution of river runoff, coastal abrasion, atmospheric deposition and the supply of matter from the Black Sea; b) changes in the volume of input, forms of migration of dissolved and suspended chemical elements into the sea.
 
The continuing period of low water, an increase in the relative water level and salinity of the Sea of Azov and the Taganrog Bay, and the recurrence of strong surge events suggest an increase in the role of marine factors in the evolution of the river Don delta. Against the background of a strong reduction in the volume of river Don sediment runoff in the second half of the XX-early XXI centuries during surges (especially strong and extreme), a significant amount of suspended matter from the Taganrog Bay can enter the river Don delta.
 
One of the indicators of such changes in the project is the dynamics of suspended matter in the "river-sea" system, which depends on the spatio-temporal position of the zone of interaction between river and sea waters in the estuary area of the river Don, where a strong geochemical transformation of river flow occurs. Basically, this boundary was noted earlier in the Taganrog Bay, at a distance from the sea edge of the delta. In conditions of low water and climate change, the boundary of interaction between river and sea waters is increasingly shifting deeper into the delta. In addition, the chemical river runoff is transformed by higher dams and reservoirs, anthropogenic activity in the catchment area in the lower reaches of the Don. Therefore, it requires a quantitative assessment of the "throughput geochemical capacity" of the estuary area, which changes in the seasonal course, in the spatial position, is different in different branches, depending on the intensity of the surge events.
 
Trends in sediment runoff reduction are typical for many rivers of the world (Mississippi, Indus, Mekong, Po, etc.). In this regard, the studied estuary zone can be considered as a model object for other ecosystems of a similar type. The assessment of the dynamics of suspended matter (and related chemical compounds) in the river Don estuary area made during the implementation of the project, as well as an assessment of the consequences for geochemical processes, the identified mechanisms of functioning and the established patterns of development can make a significant contribution to understanding future changes in similar coastal ecosystems. which is especially important for the southern seas, which are most susceptible to transformation due to climatic changes. The listed circumstances determine the scientific novelty and significance of this Project.
 
An up-to-date assessment of modern changes in the river Don estuary area is necessary to obtain reliable forecasts for the further evolution of ecosystem processes and the formation of scenarios of economic activity in the region. This challenge requires the use of mathematical models to understand the changes taking place in recent years. The level of modern development of information technologies and knowledge makes it possible to use significantly more advanced model tools than was possible 30 years ago, and fundamentally new technologies for obtaining information about marine ecosystems using satellites make it possible, along with contact measurements, to obtain new data for the calibration and verification of mathematical models.
 
Project summary

The continuing period of low water on the Lower Don, the increase in the relative water level and salinity of the Sea of Azov and the Taganrog Bay, and strong surge phenomena lead to an increase in the role of marine factors in the delta and estuary area of the Don. During surges, a significant amount of suspended solids from the Taganrog Bay can enter the delta and upstream, and salty waters can penetrate the delta. The solid runoff of the Don has been significantly deformed by engineering transformations (construction of dams and reservoirs). In addition to the existing waterworks, a new one is being built — the Bagaevsky waterworks.

The Russian Science Foundation project No. 22-27-00818 “The influence of long-term low water and climate change (at the turn of the 20th–21st centuries) on the dynamics of suspended solids in the Don estuarine area,” is aimed at assessing changes that may be associated with ongoing changes in the hydrological regime caused by increased frequency of surge events in conditions of long-term low water.

During the period 2022–2023 the following works was performed and new results were obtained.

A database of marine expedition observations and measurements within the water continuum “Tsimlyansk Reservoir — Lower Don — Don Delta — Taganrog Bay” during the period of long-term low water 2006–2020 has been compiled. Observations of total suspended solids, salinity, concentration of dissolved and suspended organic matter, and chlorophyll-a concentration have been accumulated and systematized, and their spatial and seasonal variability has been assessed.

Using the statistical modeling method WRTDS (Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season) and the EGRET software package, new quantitative estimates of the solid runoff (SR), runoff of dissolved organic carbon (DOC), total suspended solids (TSS), chlorophyll-a, particulate organic carbon (POC) by waters of the Don River into the Sea of Azov during the low water period 2009-2020 were obtained.

Two types of the process of saline waters penetration into the Don Delta were revealed — at a high (0,24–1,02 m of the Baltic system (BS)) and at a low (-0,67–0,20 m BS) initial water level in the delta. Three types of synoptic processes have been identified, in which the penetration of saline waters into the Don Delta is possible: northern (a deep cyclone over Scandinavia, the Norwegian or Barents Seas with a pressure in the center of 940–995 hPa, moving from west to east), moderate (the center of a cyclone over Poland and Belarus with a pressure of 980–1000 hPa) and southern (the center of a cyclone with a pressure of 1000–1015 hPa passes through the Sea of Azov). The northern type is characterized by a salinity of 2,0–3,5 p.s.u, for the moderate type — 1,15–3,5 p.s.u, for the southern type — 1,0–5,0 p.s.u.

A hydrological model of the Don estuary area has been implemented using the HEC-RAS (DonDeltaHECRAS) software package, which makes it possible to simulate the dynamics of the level in the Don delta during surge phenomena, taking into account the dynamics of river flow. The model parameters were adjusted based on field measurements of flow rates in the channels of the Don delta, carried out on September 13–15, 2016 and verified against measurements on September 22–23, 2014.

An assessment of the heavy metals (HM) compounds flow by the waters of the Don River into the mouth area in dissolved and suspended forms in the period 2009–2020 was made. Studied HM belong to the group of the most dangerous — nickel, copper, lead and cadmium. It was established that for all studied HM characterized by an increased content of the proportion of dissolved forms; for nickel, copper and cadmium it is the leading one, which is associated with the flat type of river flow and the low solid flow of the river. Only for lead the main form of migration is suspended, but its share is significantly less than in the rivers of the world.

Using the hydrological model of the Don estuary area (DonDeltaHECRAS) and the model of suspended matter dynamics (DonDaltaBalanceModel) consistent with it, a set of scenario calculations of the suspended matter dynamics in the Don estuary area was obtained at various water flows at the hydrological station Razdorskaya (within 300–600 m3/s, characteristic of the period of low water, in the range from 1330 to 1550 m3/s in 2018) and surge level fluctuations in the Taganrog Bay with a maximum surge level of 1,06 m (probability 85 %), 1,36–1,4 m (probability 37–29 %), 1,75–1,77 m (probability 54–59 %) and 3,7 m (probability 0,8 %).

For the hydrological regime during the surge period, using the DonDeltaHECRAS model, it is shown that for areas of the estuarine coastal zone, there is first a slowdown in current speeds, and then the currents turn in the opposite direction with increasing speeds until reaching a peak level, which occurs before the peak of current speeds. Then the current speeds quickly drop to zero, the currents turn in the direction from the river to the sea and normal values are restored. The more intense the surge (higher the maximum level) and the lower the river flow, the further away from the sea edge of the delta rip currents are formed. Floodplain areas during surges are characterized by velocities similar to those of the nearest riverbed areas, but may be reduced due to the influence of vegetation cover.

Using the DonDeltaBalanceModel, quantitative estimates of TSS settling in the Don delta during the surges of different levels  were obtained, a comparison was made with the solid runoff, and a set of scenario calculations of the HM dynamics in the Don estuarine area was obtained at various water flow rates and at the different surge level fluctuations in Taganrog Bay.

It has been shown that in the modern period of low water, in the absence of flooding of the delta floodplain during floods, the marine factor may be the main mechanism of soil contamination of the Don delta with HM compounds because of their transfer with TSS from the Taganrog Bay.

Quantitative estimates of the contribution of the Don delta and the estuary coastal zone as a filter on the migration path of chemical compounds (heavy metals and organic matter) in suspended sediments with river waters into the Sea of Azov were obtained.

Final project proposition

The following proposition has been formulated about the mechanism of the influence of the estuary region on the transport of chemical elements under the marine factor impact (surges of different levels) in the absence of pronounced floods, a significant transformation of solid runoff due to the regulation of rivers and in conditions of increasing salinity of the Azov Sea.

1. In the absence of surge phenomena at low water flow rates, suspended substances and chemical compounds migrating in their composition practically transit the delta, slightly settling in the branches at low speeds, but are mainly deposited on the estuary coastal zone outside the sea edge of the delta.

2. During the surge of any probability, suspended matter, together with chemical compounds in their composition, accumulated on the estuary coastal zone, under the influence of waves, saturate the water and enter the delta at the stage of level rise, settling partly in the branches, and partly on the floodplain areas of the delta flooded with water. When the surge level decreases, the substances deposited in the floodplain areas of the delta mainly remain there, and the substances accumulated in the channel segments are carried beyond the sea edge of the delta. At the same time, substances accumulated there between surges can also be carried out from the delta branches.

3. For low-water conditions, surge phenomena frequency observed in the period 2015–2020 , in the absence of floods, the Don estuary area retains on average 20 % of suspended and migrating chemical compounds in their composition, coming with the Don River runoff.

4. The increase in salinity of the Azov Sea and the penetration of salt water into the delta increase the sedimentogenesis conditions in the estuary area by no more than 15 %. The dissolved organic matter film on the suspended particles surface and the organic matter presence in the suspension may be of greater importance. But more research is needed.

A list of tasks has been formulated for the development of this area of research either as part of the laboratories operating at the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences or within the framework of an established interdisciplinary scientific group.
 

As a result of the Project:
 
An assessment of the sediment and chemical runoff of the river Don for the period 2007-2020 will be carried out, as well as a comparison of the results with the data obtained for the previous period of low water.
 
The dynamics of suspended matter in the estuary area of the river Don will be described at different water flow rates at its top and surging level fluctuations in the Taganrog Bay on the basis of mathematical modeling. The fluxes of suspended matter settling in the river Don delta during surges of different availability have been quantified; a comparison will be made with sediment runoff during the low water period.
 
A description of the role of marine factors in the evolution of the river Don delta during dry periods and climatic changes in the first quarter of the 21st century will be carried out.
 
For the first time, the influence of the hydrological regime in the river Don delta during dry periods on the accumulation of heavy metal compounds in flooded soils will be characterized on the basis of mathematical modeling and observational data, the hypothesis will be tested that the main mechanism of contamination of the river Don delta soils with heavy metal compounds is their transfer from the Taganrog Bay with suspended matter during storm surges.
 
A quantitative assessment will be given of the role of the river Don estuary area as a filter on the migration path of chemical compounds in dissolved and suspended forms from the river to the sea.
 
The results obtained can be used as scientific support for the management of environmental and economic risks, for the conduct of marine economic activities in the coastal regions of Russia.
 
Full implementation of the project will contribute to the achievement of the sustainable development goals of the southern macroregion; contribute to the implementation of the activities of the international program for joint research and technological innovation in the framework of United Nations Decade of Ocean Sciences for Sustainable Development (2021-2030).