Новый метод поможет определять количество взвесей в реках

Российские ученые предложили алгоритм, который позволяет с помощью акустических методов оценить количество взвесей, переносимых крупными реками. Используя предложенную методику, можно определить, сколько загрязняющих веществ попадает в воду и распространяется по руслу. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Big Earth Data.

Во взвесях — твердых частицах, находящихся в толще воды, — концентрируется основная часть опасных химических веществ, например тяжелые металлы и пестициды, сбрасываемые заводами, промышленными предприятиями, а также попадающие в реки с полей. Течения могут переносить эти соединения на значительные расстояния, однако отслеживание их перемещения — довольно сложная задача. Исследователям нужно учесть много различных факторов: скорость течения, глубину реки, неоднородность распределения частиц в толще воды и на дне.

Относительно быстро и точно оценить количество взвесей в речных потоках можно с помощью акустического доплеровского измерителя течения — прибора, который устанавливается на кораблях или лодках. Он посылает в воду ультразвуковые волны, а те, отражаясь от дна, возвращаются обратно. Прибор улавливает этот ответный сигнал и по нему определяет, сколько твердых взвешенных частиц находится в воде — они рассеивают сигнал. Этот принцип можно сравнить с эхом, которое человек слышит, например, крикнув в колодец. Данный подход получил широкую известность применительно к измерениям расхода воды и скоростей течений, однако до настоящего времени не получал развития для изучения речных взвесей.

Географы Московского государственного университета имени M. В. Ломоносова (Москва) с помощью акустического доплеровского измерителя течения исследовали шесть российских рек, различающихся по глубине и протяженности, характеру течения и географическому положению: Москву-реку, Енисей, Лену, Обь, Колыму и Селенгу. Проведенные измерения скорости течения и интенсивности эхо-сигнала от испускаемого прибором ультразвука были сопоставлены с результатами отбора проб воды с разных глубин на этих же реках. Так, в образцах поверхностной, глубинной воды и воды из толщи водоема авторы аналитическими методами определили количество взвешенных веществ. Соотношения, полученные на основе этого сопоставления, в дальнейшем легли в основу большого массива данных мутности, состоящего из десятков тысяч значений для каждой реки.

Подход позволил получить принципиально новые модели, описывающие распределение твердых частиц по глубине речных потоков, а также на качественно новом уровне оценивать потоки взвесей с материка в реки. Если существовавшие до настоящего времени оценки основывались на разовых измерениях концентраций взвесей в пределах поперечного сечения реки, то разработанная технология — это автоматизированный способ получения данных из каждой точки потока. Кроме того, на основе предложенной методики для исследуемых рек авторы математически определили условия распределения частиц между придонными и взвешенными формами. Ученые обосновали гидравлические критерии, при которых при разном составе переносимого материала происходит плавное распределение наносов по глубине потока или же их концентрирование в придонном слое.

«Наше исследование позволит получать большие массивы данных о количестве взвесей, переносимых крупными реками, на новом качественном и количественном уровне. Это поможет определить особенности формирования стока взвешенных наносов в разных реках. Разработанная методика — значительный шаг вперед в исследованиях крупных рек, и в дальнейшем мы планируем включить в анализ другие водные артерии России», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Чалов, доктор географических наук, доцент кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ.