Assessment of the impact of cryogenic phenomena and processes on the supply of Russian rivers with underground water
Authors: Марков М.Л. 
Published: July 2024

На значительной части территории России зима длится более 4 месяцев. Это приводит к образованию речного и озерного льдов, подземных льдов и наледей различного вида, промерзанию почвогрунтов и так далее. Все эти явления в той или иной степени влияют на сток рек. В условиях потепления климата, особенно в зимний период, стокоформирующая роль этих процессов снижается. Так как она до сих пор не оценена, то вопрос о ее значимости в гидрологическом режиме становится все более актуальным. Цель статьи – выполнить оценку совокупного влияния на подземное питание рек России многих криогенных явлений и процессов, формирующихся и происходящих в руслах рек, на водосборах, болотах и заболоченных территориях, в почво-грунтах, трещиноватых и рыхлых горных породах. В основе методики заложено представление о том, что внутригодовая изменчивость емкостных запасов подземных водоносных горизонтов, питающих большие реки, незначительна. Исходя из этого принято, что разница в питании рек подземными водами в зимнюю и летнюю межень определяет влияние всей совокупности криогенных процессов. Определение разницы между зимним и летним меженным стоком рек выполнено по картам летнего и зимнего минимального 30-ти суточного стока 80% обеспеченности. В результате расчетов установлено, что криогенные явления и процессы контролируют 492 км3/год водных ресурсов России. В том числе: на европейской территории – 23; Урале и Западной Сибири – 36; Средней, Северо-Восточной Сибири и Дальнем Востоке – 433 км3/год. То есть в формировании почти 20% суммарного годового стока рек умеренных и северных широт России с устойчивой зимой значительную роль играет температура воздуха. Происходящее и прогнозируемое повышение зимней температуры воздуха на этих территориях может постепенно привести к ослаблению криогенного регулирования стока и к заметным изменениям в водном режиме. Литература Алексеев В.Р., Фурман М.Ш. Наледи и сток. Новосибирск: Сибирское отделение «Наука», 1976. 118 с. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира в 2-х т. Том 2: в 2-х кн. Книга 1, книга 2. / Гл. ред. В.М. Котляков. М.: ГУГК, 1998. 264 с., 270 с. Боревский Б.В., Марков М.Л. Является ли меженный расход рек мерой питания подземных вод или общего подземного стока? // Разведка и охрана недр. 2014. №5. С. 10-16. Вомперский С.Э., Сирин А.А., Цыганова О.П., Валяева Н.А., Майков Д.А. Болота и заболоченные земли России: попытка анализа пространственного распределения и разнообразия // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2005. № 5. С. 39-50. Зотов, Л.В., Фролова Н.Л., Шам С.К. Гравитационные аномалии в 673 бассейнах крупных рек России // Природа. 2016. №5. С. 3-8. Иванова Н.Н., Ларионов Г.А. Динамика протяженности малых рек: факторы и количественные оценки // Причины и механизмы пересыхания малых рек / Под ред. А.П. Дедкова, Г.П. Бутакова. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1996. С. 37-42. Кравченко В.В. Роль наледей в формировании зимнего речного стока и ледяного покрова рек западной части зоны БАМа // Труды Государственного гидрологического института. 1986. Вып. 312. С. 34-84. Кравченко В.В. Особенности взаимодействия поверхностных и подземных вод в малых бассейнах криолитозоны // Ландшафтно-гидрологический анализ территории. Новосибирск: Сибирское отделение «Наука», 1992. С. 88-106. Лавров С.А., Марков М.Л. Оценка влияния атмосферного давления на уровень и сток грунтовых вод // Инженерные изыскания. 2018. Том 12. № 11-12. С. 44-51. DOI: 10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-44-51 Марков М.Л., Василенко Н.Г., Гуревич Е.В. Наледи зоны БАМ. Экспедиционные исследования. СПб.: Нестор-история, 2016. 320 с. Марков М.Л. О хаосе и порядке в криогенных явлениях и процессах, формирующих речной сток // Сборник докладов Международной научно-практической конференции памяти выдающегося русского ученого Ю.Б. Виноградова «Третьи Виноградовские Чтения. Грани гидрологии» (г. Санкт-Петербург, 28-31 марта 2018 г.). СПб.: Наукоемкие технологии, 2018. С. 92-97. Марков М.Л., Гуревич Е.В. О влиянии ледяного покрова на подземную составляющую речного стока // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2019. Т. 1. Вып. 4. С. 477-489. DOI: 10.34753/HS.2019.1.4.477 Обязов В.А., Смахтин В.К. Ледовый режим рек Забайкалья в условиях изменяющегося климата // Водные ресурсы. 2014. Т. 41. № 3. С. 227-234. DOI: 10.7868/S0321059614030134 Обязов В.А., Смахтин В.К. Влияние изменений климата на речной сток в зимний период в Забайкалье // Метеорология и гидрология. 2013. №7. С. 95-102. Разумов В.В., Разумова Н.В., Молчанов Э.Н. Подтопление земель в Сибирском регионе России // Геориск. 2015. № 4. С. 22-36. Романов В.В., Ферронский В.И., Вакуловский С.М., Катрич И.Ю., Рослый Е.И. Содержание трития в природных водах СССР в 1979-1980 гг. // Водные ресурсы. 1983. № 3. С. 109-115. Современные ресурсы подземных и поверхностных вод Европейской части России: формирование, распределение, использование / Отв. ред. Р.Г. Джамалов, Н.Л. Фролова. М.: ГЕОС, 2015. 319 с. Соколов Б.Л. Наледи и речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 190 с. Соколов Б.Л. Новые результаты экспериментальных исследований литогенной составляющей речного стока // Водные ресурсы. 1996. Т. 23. №3. С. 278-287. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. 423 с. Шепелев В.В., Павлова Н.А. Основные составляющие подземного питания рек Якутии // Наука и образование. 2014. №2 (74). С. 117-120. Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., Matthes H., Vieira G., Streletskiy D.A., Schoeneich P., Romanovsky V.E., Lewkowicz A.G., Abramov A., Allard M., Boike J., Cable W.L., Christiansen H.H., Delaloye R., Diekmann B., Drozdov D., Etzelmüller B., Grosse G., Guglielmin M., Ingeman-Nielsen Th., Isaksen K., Ishikawa M., Johansson M., Johannsson H., Joo A., Kaverin D., Kholodov A., Konstantinov P., Kröger T., Lambiel Ch., Lanckman J.-P., Luo D., Malkova G., Meiklejohn I., Moskalenko N., Oliva M., Phillips M., Ramos M., Sannel A.B.K., Sergeev D., Seybold C., Skryabin P., Vasiliev A., Wu Q., Yoshikawa K., Zheleznyak M., Lantuit H. Permafrost is warming at a global scale // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Art. 264. DOI: 10.1038/s41467-018-08240-4 Shiklomanov A.I., Lammers R.B., Lettenmaier D.P., Polischuk Yu.M., Savichev O.G., Smith L.C., Chernokulsky A.V. Hydrological Changes: Historical Analysis, Contemporary Status, and Future Projections. In: Groisman P.Ya., Gutman G. Regional Environmental Changes in Siberia and Their Global Consequences. Springer Dordrecht Heidelberg New York London, 2013, pp. 111-154. DOI: 10.1007/978-94-007-4569-8_4 Zotov L.V., Shum C.K., Frolova N.L. Gravity Changes over Russian River Basins from GRACE // Planetary Exploration and Science: Recent Results and Advances / Eds. Jin S., Haghighipour N., Ip W.-H. Springer, Berlin, Heidelberg: Springer Geophysics, 2015. P. 45-59. DOI: 10.1007/978-3-662-45052-9_3 Zhuravin S.A., Markov M.L. Development of studies in small research basins in Russia and the most recent tasks // Proceedings of the Workshop «Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins» (Goslar-Hahnenklee, Germany, 30 March–2 April 2009) / Eds. by A. Herrmann, S. Schumann. IAHS Publ. 336. 2010. P. 219-224.
In a large part of Russia, winter lasts for more than 4 months. This leads to the formation of river and lake ice, underground ice and ice of various types, freezing of soil, etc. All these phenomena affect the flow of rivers to one degree or another. In a warming climate, especially in winter, the flow-forming role of these processes is reduced. Since it has not yet been evaluated, the question of its significance in the hydrological regime is becoming more and more relevant. The purpose of the article is to assess the cumulative impact of many cryogenic phenomena and processes that form and occur in riverbeds, in catchments, swamps and wetlands, in soils, fractured and loose rocks on the underground nutrition of Russian rivers. The methodology is based on the idea that the intra-annual variability of the reservoir reserves of underground aquifers feeding large rivers is insignificant. Based on this, it is assumed that the difference in the supply of rivers with underground water in the winter and summer periods determines the influence of the entire set of cryogenic processes. The difference between the winter and summer inter-soil flow of rivers was determined using maps of the summer and winter minimum 30-day flow of 80% security. As a result of calculations, it is established that cryogenic phenomena and processes control 492 km3/year of water resources in Russia. Including: in the European territory – 23; the Urals and Western Siberia – 36; Middle, North-Eastern Siberia and the far East – 433 km3/year. In other words, air temperature plays a significant role in the formation of almost 20% of the total annual flow of rivers in Russia's temperate and Northern latitudes with a stable winter. The current and projected increase in winter air temperature in these territories may gradually lead to a weakening of cryogenic regulation of runoff and to noticeable changes in the water regime. References Alekseev V.R., Furman M.Sh. Naledi i stok [Ice and runoff]. Novosibirsk, Nauka, 1976, 118 p. (In Russian). Atlas snezhno-ledovykh resursov mira v 2 t. Tom 2: v 2 kn. Kniga 1, kniga 2 [World Atlas of Snow and Ice Resources in 2 volumes. Volume 2: in 2 books. Book 1, book 2]. Kotlyakov V.M. (ed.). Moscow, Publ. of General Directorate of Geodesy and Cartography, 1998. 264 p., 270 p. (In Russian). Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., Matthes H., Vieira G., Streletskiy D.A., Schoeneich P., Romanovsky V.E., Lewkowicz A.G., Abramov A., Allard M., Boike J., Cable W.L., Christiansen H.H., Delaloye R., Diekmann B., Drozdov D., Etzelmüller B., Grosse G., Guglielmin M., Ingeman-Nielsen Th., Isaksen K., Ishikawa M., Johansson M., Johannsson H., Joo A., Kaverin D., Kholodov A., Konstantinov P., Kröger T., Lambiel Ch., Lanckman J.-P., Luo D., Malkova G., Meiklejohn I., Moskalenko N., Oliva M., Phillips M., Ramos M., Sannel A.B.K., Sergeev D., Seybold C., Skryabin P., Vasiliev A., Wu Q., Yoshikawa K., Zheleznyak M., Lantuit H. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications, 2019, vol. 10, art. 264. DOI: 10.1038/s41467-018-08240-4 Borevskiy B.V., Markov M.L. Yavlyaetsya li mezhennyi raskhod rek meroi pitaniya podzemnykh vod ili obshchego podzemnogo stoka? [Is river low-water flow a measure contributing to underground water or common underground water inflow?]. Razvedka i okhrana nedr [Prospect and protection of mineral resources], 2014, no. 5, pp. 10-16. (In Russian; abstract in English) Ivanova N.N., Larionov G.A. Dinamika protyazhennosti malykh rek: faktory i kolichestvennye otsenki [Dynamics of the length of small rivers: factors and quantitative estimates]. In Dedkov A.P., Butakova G.P. (eds.) Prichiny i mekhanizmy peresykhaniya malykh rek [Causes and mechanisms of drying up of small rivers], Kazan', Publ. of Kazan university, 1996, pp. 37-42. (In Russian). Kravchenko V.V. Rol' naledei v formirovanii zimnego rechnogo stoka i ledyanogo pokrova rek zapadnoi chasti zony BAMa [The role of ice in the formation of winter river runoff and ice cover of rivers in the western part of the BAM zone]. Trudy Gosudarstvennogo gidrologicheskogo institute [Proceedings of the State Hydrological Institute], 1986, iss. 312, pp. 34-84. (In Russian). Kravchenko V.V. Osobennosti vzaimodeistviya poverkhnostnykh i podzemnykh vod v malykh basseinakh kriolitozony [Peculiarities of interaction of surface and ground waters in small basins of the permafrost zone]. Landshaftno-gidrologicheskii analiz territorii [Landscape-hydrological analysis of the territory], Novosibirsk, Nauka, 1992, pp. 88-106. (In Russian). Lavrov S.A. Markov M.L. Otsenka vliyaniya atmosfernogo davleniya na uroven' i stok gruntovykh vod [Assessment of the effect of atmospheric pressure on the level and ground waters flow]. Inzhenernye izyskaniya [Engineering Survey], 2018, vol. 12, no. 11-12, pp. 44-51. (In Russian; abstract in English). DOI: 10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-44-51 Markov M.L., Vasilenko N.G., Gurevich E.V. Naledi zony BAM. Ekspeditsionnye issledovaniya [Icing fields of the BAM zone: expeditionary investigations]. St. Petersburg, Publ. Nestor-History, 2016. 320 p. (In Russian; abstract in English). Markov M.L. O khaose i poryadke v kriogennykh yavleniyakh i protsessakh, formiruyushchikh rechnoi stok [About chaos and order in cryogenic phenomena and processes forming the river runoff]. Sbornik dokladov Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii pamyati vydayushchegosya russkogo uchenogo Yu.B. Vinogradova «Tret'i Vinogradovskie Chteniya. Grani gidrologii» (g. Sankt-Peterburg, 28-31 marta 2018) [Proceedings of the international scientific conference in memory of outstanding Russian hydrologist Yury Vinogradov «Third Vinogradov Conference. Facets of hydrology» (Saint Petersburg, March, 28-30, 2018)], St. Petersburg, Publ. Naukoemkie tekhnologii, 2018, pp. 92-97. (In Russian; abstract in English). Markov M.L., Gurevich E.V. On the influence of ice cover on the underground component of river flow. Hydrosphere. Hazard processes and phenomena, 2019, vol. 1, iss. 4, pp. 477-489 (In Russian; abstract in English). DOI: 10.34753/HS.2019.1.4.477 Obyazov V.A., Smakhtin V.K. Ice regime of Transbaikalian rivers under changing climate. Water Resources, 2014, vol. 41, no. 3, pp. 225-231. DOI: 10.1134/S0097807814030130 (Russ. ed.: Obyazov V.A., Smakhtin V.K. Ledovyi rezhim rek Zabaikal'ya v usloviyakh izmenyayushchegosya klimata. Vodnye resursy, 2014, vol. 41, no. 3, pp. 227-234. DOI: 10.7868/S0321059614030134). Obyazov V.A., Smakhtin V.K. Climate change effects on winter river runoff in Transbaikalia. Russian Meteorology and Hydrology, 2013, vol. 38, no. 7, pp. 503-508. DOI: 10.3103/S1068373913070091 (Russ. ed.: Obyazov V.A., Smakhtin V.K. Vliyanie izmenenii klimata na rechnoi stok v zimnii period v Zabaikal'e. Meteorologiya i gidrologiya, 2013, no. 7, pp. 95-102) Razumov V.V., Razumova N.V., Molchanov E.N. Podtoplenie zemel' v Sibirskom regione Rossii [Flooding of lands in the Siberian region of Russia]. Georisk [Georisk], 2015, no. 4, pp. 22-36. (In Russian; abstract in English). Romanov V.V., Ferronskii V.I., Vakulovskii S.M., Katrich I.Yu., Roslyi E.I. Soderzhanie tritiya v prirodnykh vodakh SSSR v 1979-1980 gody [Tritium content in natural waters of the USSR in 1979-1980]. Vodnye resursy [Water Resources (Russian)], 1983, no. 3, pp. 109-115. (In Russian). Shepelev V.V., Pavlova N.A. Osnovnye sostavlyayushchie podzemnogo pitaniya rek Yakutii [Main constituents of ground waters delivery to the rivers of Yakutia]. Nauka i obrazovanie [Science and Education], 2014, no. 2, pp. 117-120 (In Russian; abstract in English). Shiklomanov A.I., Lammers R.B., Lettenmaier D.P., Polischuk Yu.M., Savichev O.G., Smith L.C., Chernokulsky A.V. Hydrological Changes: Historical Analysis, Contemporary Status, and Future Projections. In: Groisman P.Ya., Gutman G. Regional Environmental Changes in Siberia and Their Global Consequences. Springer Dordrecht Heidelberg New York London, 2013, pp. 111-154. DOI: 10.1007/978-94-007-4569-8_4 Shvartsev S.L. Obshchaya gidrogeologiya [General hydrogeology]. Moscow, Publ. Nedra, 1996. 423 p. (In Russian). Sovremennye resursy podzemnykh i poverkhnostnykh vod Evropeiskoi chasti Rossii: formirovanie, raspredelenie, ispol'zovanie [Modern resources of ground and surface waters of the European part of Russia: formation, distribution, using]. Dzhamalov R.G., Frolova N.L. (eds.). Moscow, Publ. GEOS, 2015. 319 p. (In Russian). Sokolov B.L. Naledi i rechnoi stok [Ices and river runoff]. Leningrad, Publ. Gidrometeoizdat, 1975. 190 p. (In Russian). Sokolov B.L. Novye rezul'taty eksperimental'nykh issledovanii litogennoi sostavlyayushchei rechnogo stoka [New results of experimental studies of the lithogenic component of river runoff]. Vodnye resursy [Water Resources (Russian)], 1996, vol. 23, no. 3, pp. 278-287. (In Russian). Vompersky S.E., Sirin A.A., Tsyganova O.P., Valyaeva N.A., Maikov D.A. Bolota i zabolochennye zemli Rossii: popytka analiza prostranstvennogo raspredeleniya i raznoobraziya [Peatlands and paludified lands of Russia: attempt of analyses of spatial distribution and diversity]. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Seriya geograficheskaya. [Izvestiya RAN (Akad. Nauk SSSR). Seriya Geograficheskaya], 2005, no. 5, pp. 39-50. (In Russian). Zotov L.V., Frolova N.L., Shum S.K. Gravitatsionnye anomalii v 673 basseinakh krupnykh rek Rossii [Gravity anomalies in the basins of major russian rivers]. Priroda [Nature (Russia)], 2016, no. 5, pp. 3-8. (In Russian). Zotov L.V., Shum C.K., Frolova N.L. Gravity Changes over Russian River Basins from GRACE. In: Jin S., Haghighipour N., Ip W.-H. (eds.), Planetary Exploration and Science: Recent Results and Advances. Springer Geophysics. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015, pp. 45-59. DOI: 10.1007/978-3-662-45052-9_3 Zhuravin S.A., Markov M.L. Development of studies in small research basins in Russia and the most recent tasks. In A. Herrmann, S. Schumann (eds.) Proceedings of the Workshop «Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins» (Goslar-Hahnenklee, Germany, 30 March–2 April 2009). IAHS Publ. 336, 2010, pp. 219-224.