Оценка и прогноз трансграничного перемещения вредных (загрязняющих) веществ в системе река Селенга-озеро Байкал» (ФЦП)НИР

O

Источник финансирования НИР

ФЦП: Федеральная целевая программа, Другое

Этапы НИР

# Сроки Название
1 19 мая 2015 г.-15 декабря 2015 г. Научно-обоснованная оценка состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал в современных климатических и техногенных условиях.
Результаты этапа: Выявлено, что бассейновая геосистема реки Селенги характеризуется преимущественно естественным гидрологическим и эколого-геохимическим состоянием. Выраженная деградация состояния наблюдается на 6 локальных участках бассейна суммарной длиной более 200 километров, 4 из которых приурочены к бассейну р. Орхон. Показано, что климатические изменения стока (цикл маловодья с 1996 года) играют решающую роль в трансформации трансграничного переноса загрязняющих веществ в бассейне Селенги и определяют его 25%-ое снижение за последние 20 лет. Вклад существующих антропогенных источников (сельскохозяйственная деятельность, горные разработки, промышленность) в перенос загрязняющих веществ локализован на местном подбассейновом уровне и играет относительно малую роль (менее 10%) в переносе загрязняющих веществ в бассейне Селенги. Гидроэнергетические проекты могут повлиять на трансформацию не более 0,5% среднегодового стока р. Селенги.
2 15 декабря 2015 г.-30 сентября 2016 г. Разработать научно-методические основы прогноза состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал
Результаты этапа: Целью работы является оценка и прогноз состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал в современных и ожидаемых климатических и техногенных условиях в целях снижения влияния трансграничного переноса загрязняющих веществ на оз. Байкал и сокращения сбросов загрязняющих веществ в водные объекты Байкальской природной территории. В рамках этапа 2 разработана методика прогноза состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал. Технология получения прогностических оценок изменения эколого-геохимического состояния бассейна реки Селенги и дельты основана на интегрировании разномасштабных инструментов имитационного моделирования бассейнового и руслового уровня, совмещенных с web-ГИС визуализации исходных данных и прогностических результатов. Для ее реализации обоснованы 5 сценариев прогностических оценок стока, основанные на вариабельности гидроклиматических факторов и техногенного воздействия для установленных интервалов времени (на 2020, 2040 и 2065 гг.): от сценария низкого воздействия (RCP2.6) до «жесткого» сценария BAU (business-as-usual).
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Научно-обоснованный прогноз состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал в современных и ожидаемых климатических и техногенных условиях.
Результаты этапа: По результатам выполнения работы сформулированы следующие основные выводы, касающиеся прогноза состояния бассейновой геосистемы река Селенга – озеро Байкал в современных и ожидаемых климатических и техногенных условиях.: 1. Изменение переноса загрязняющих веществ в бассейне Селенги будет связано с климатическими и антропогенными факторами. Для получения прогнозных оценок использованы расчеты по 5 сценариям МГЭИК. Ожидаемые изменения осадков и температуры, оцененные по разным сценариям МГЭИК на основе разработанной модели формирования стока бассейна р. Селенги, определят уменьшение стока р. Селенги на 10-40% в зависимости от прогнозируемых климатических условий. Увеличение температуры по самому мягкому сценарию МГЭИК RCP2.6 достаточно существенно и составляет 3.3°C к 2065 году. Эти изменения приведут к уменьшению объема стока на 2.2% к 2065 году. Согласно самому жесткому сценарию, происходит неуклонное увеличение среднегодовой температуры воздуха на 2.0°C к 2065 году на фоне падения годовой суммы осадков на 11% от уровня 1990 – 2005 гг. Это приводит к снижению стока р. Селенги более чем на 21% к концу оценочного периода. Маловодье, наблюдаемое в бассейне р. Селенга на протяжении последних 20 лет, может усилиться в будущем. Создание гидроузлов может усилить динамику этих процессов. Наличие регулирования ГЭС Орхон проявится в увеличении стока в меженный период: по направлению к устью на 16-13% в многоводном сценарии, на 15-11% в нейтральном и на 7-5% в маловодном сценарии. Эксплуатация Шурэн ГЭС при отсутствии Чаргайт ГЭС и Эгийн ГЭС будет уменьшать внутригодовые колебания стока реки, сокращая максимальный среднемесячный сток на 5–6%, увеличивая минимальный зимний на 57–63%. При зарегулировании притока к ГЭС Шурэн сокращение максимального среднемесячного стока составит 14–15%, а увеличение минимального зимнего стока 73–75%. 2. Для прогноза транспорта веществ обоснованы 5 вариантов модельных сценариев: климатические, антропогенные, климато-антропогенные, базовые и стационарные. Климатические сценарии задавались для элементов, демонстрирующих бассейновую связь с уровнем распространением мерзлоты и горнопромышленных разработок. Для них, на основе учета основных тенденций поступления загрязняющих веществ в разных используемых сценариях МГЭИК и трендов изменения температуры и водности, проводилось ранжирование факторов от 2 до 10 %. Противоположно направленная динамика для территории России и для территории Монголии учитывалась в антропогенных сценариях, которые ранжировались от условно «мягкого» до «жесткого» в зависимости от степени изменения видов землепользования. Химические элементы, которые зависят как от климатически обусловленных параметров, так и от антропогенных, оценивались на основе применения интегрального климато-антропогенного модельного сценария. В этом случае использовался пошаговый алгоритм соответствия климатического сценария разным вариантам антропогенных оценок. Для ряда элементов обоснованный сценарный прогноз невозможен в связи с отсутствием значимых корреляционных связей с каким-либо из природно-ландшафтных или антропогенных факторов. Для них применялся базовый сценарий, предполагающий неизменность этих элементов в условиях гетерогенного речного бассейна. Наконец, для элементов, для которых значимые корреляции обнаружены с различными природными факторами, имеющими относительно устойчивое неизменное состояние, применялся стационарный сценарий. В этом случае содержание элементов принималось равным его значения в референсный период. 3. В условиях климатических изменений водности ожидаются разнонаправленные воздействия на перенос химических элементов. Учет всего спектра элементов, определяемых методами ICP-MS (71 элемент), возможен методами формально-статистического моделирования, основанного на алгоритмах множественной линейной регрессии. В пределах 10 % ожидаются изменения переноса во взвешенной форме элементов Be Eu U Co Zn Pb Bi в связи с климатическими изменениями на водосборе (в первую очередь таянием мерзлоты), Al Fe Mg Ca K Ba Pr La Nd Sm в связи с трансформацией хозяйственной деятельности и Cu Mo Mn Y Ho Gd Tb Dy Er Tm Yb Lu W в результате совокупного воздействия климатических процессов и факторов землепользования. Предполагается устойчивость большей части (около 60 %) элементов - Ti Li Rb Sr Ce Hf Zr Ag Au Pt Ru Ry Rh Pd Os Ir V Cr Ni Sn Hg Ga In Tl Sb P B Ge As Ta Re Se Br Nb Cs Te Si Na Sc Cd S. Растворенные формы транспорта в больше степени подвержены изменению режима землепользования: ожидается трансформация растворенных форм основных петрогенных элементов (Mg Ca Li), значительной части трех- и четырехвалентных, редкоземельных и щелочноземельных элементов (Sr Y Pr La Ce Nd Sm Gd Dy Er Tm Lu Zr U), а также ряда анионогенов (B As Mo W Re). Климатические факторы могут иметь значимое влияние на перенос Rb Be Na Br и Pb. Устойчивость концентраций ожидается для Fe Ti K Ba Sc Tb Eu Yb Ag Au Pt Ru Rh Pd Os Ir V Cr Sn Hg Ga In Tl Sb Bi Ge Ta Se Si Al Mn Ho Eu Tb Yb Hf Co Ni Zn Cd Tl P. Среди тяжелых металлов значительное влияние антропогенных факторов испытывает Cu (и растворенные, и взвешенные формы), изменчивость которого в наибольшей степени будет выражена в бассейнах малых антропогенно преобразованных рек (р. Модонкуль, р. Бороо). При увеличении антропогенной освоенности бассейнов на 10 % изменчивость концентраций химических элементов в основном составляет первые проценты, достигая для технофильных элементов (Cu, Mo) увеличения на 2.5 % (растворенная форма) и 6 % (взвешенная форма) от современного уровня концентраций. Для ряда технофильных элементов установлены сложные вторичные связи, которые следует учитывать в прогнозных сценариях. Примером подобных климатических сценариев является снижение концентраций растворенных форм свинца за счет разбавления водами мерзлотного происхождения, высвобождающимися при ожидаемом таянии мерзлоты в условиях потепления климата. Возможные изменения концентрации взвешенных форм ртути могут быть связаны с увеличением сельскохозяйственного освоения территорий, при котором химически «чистые» продукты смыва с пашен могут приводить к замещению в речном стоке обогащенных ртутью природного и техногенного (горнодобывающая деятельность) взвесей. 4. Изменения водного стока и состава переносимых загрязняющих веществ будут играть ключевую роль в изменении эколого-геохимического состояния речного бассейна, под которым понимается совокупность процессов миграции техногенных потоков веществ через природные компоненты окружающей среды и их экологические последствия. Показано, что максимальное изменение эколого-геохимическое состояния будет характерно для малых рек бассейна Селенги (Модонкуль, Хангол, Туул, Уда и др.), находящихся под воздействием городов и объектов горнодобывающей промышленности. Для выявления функциональных связей трансформации характеристик бассейновой геосистемы использовались алгоритмы машинного обучения. Была разработана экспертная система признакового пространства, включающая 43 ландшафтно-гидрологических и антропогенных фактора формирования химического состава воды и взвешенных наносов, что позволило ранжировать вклад различных факторов в изменение эколого-геохимического состояния бассейна р. Селенги. В формировании растворенных форм большую роль оказывают природные ландшафтно-гидрологические факторы. В формировании состава взвешенных наносов важнейшую роль будут играть антропогенные факторы, которые имеют следующий порядок по значимости влияния на концентрации микроэлементов: «разработки полезных ископаемых – плотность населенных пунктов – пашни – плотность нарушенных земель – плотность автодорог – пастбища». 5. На основе сопоставлении экспедиционных данных и мониторинга качества воды на постах гидрометслужб России и Монголии установлены основные закономерности динамики концентраций приоритетных загрязнителей и выноса химических компонентов к дельте реки Селенги и в озеро Байкал в XX-XXI веке. Наблюдающиеся увеличения содержания химических элементов в речных водах объясняются меняющимися гидроклиматическими условиями и вкладом антропогенных источников. Для экосистемы р. Селенги важнейшим свойством эколого-геохимического состояния бассейна является увеличение вниз по течению Селенги доли растворенных форм по сравнению со взвешенными. 6. С применением комплексной пространственно-распределенной физико-математической модели формирования стока и трансформации загрязняющих веществ в речных бассейнах выполнены расчеты баланса приоритетных загрязнителей. Она свидетельствует о линейном отклике геосистемы бассейна р. Селенга на изменения концентраций загрязнителей в речной воде за счет увеличения или уменьшения антропогенной нагрузки в будущем. Концентрации приоритетных загрязнителей (Fe, Al, Mn, Zn, Ni, Cu, Mo и Cr) при любом сценарии развития горнорудной деятельности будут сохраняться на повышенном уровне. Учитывая, что основным факторов воздействия на речные системы в пределах существующих территорий горных разработок является активизация русловой эрозии, в качестве сценария влияния горнорудной деятельности задавались изменения морфологических параметров русла - ширины, уклона и шероховатость. Выявлено, что большую роль будут играть процессы вторичного загрязнения, в том числе размыв ранее загрязненных пойменных и русловых отложений, взаимодействие между взвешенными и растворенными формами. В качестве прогнозной модели распределения приоритетных загрязнителей при различных сценариях горнорудной деятельности для нижней части бассейна приняты следующие значения относительно рыбохозяйственных ПДКр: Fe (6 ПДКр), Al (14 ПДКр), Mn (4 ПДКр), Zn (9 ПДКр), Cr (3 ПДКр), Cu (2,5 ПДКр), Mo (2 ПДКр). 7. Для прогнозных оценок баланса приоритетных загрязнителей при различных сценариях гидротехнического строительства использованы 3 сценария водности: близкий к обеспеченности 5% (вариант А, «многоводный»), близкий к обеспеченности 50% (вариант Б, «нейтральный») и близкий к обеспеченности 95% (вариант В, «маловодный»). Они сопоставлялись с 5 вариантами гидротехнического строительства, что позволило выполнить расчета для 15 сценариев. Для любого из 15 сценариев доля поступления загрязнителей с монгольской территории увеличивается (от 65 % до 74 % в общем балансе загрязняющих веществ). В многоводный год, когда сток увеличивается в среднем на 38%, доля поступления приоритетных загрязнителей с монгольской территории может увеличиться до 84%. Согласно воднобалансовым расчетам на модели МГУ, наиболее значительное увеличение минерализации воды в нижнем бьефе (до 100 мг/л) ожидается в сценарии А в середине лета (при интенсивной сработке основной водной массы, сформировавшейся к началу многоводного периода). В осенний, зимний и весенний периоды ожидается уменьшение минерализации воды на 50-100 мг/л в сценариях А-В соответственно. Ожидается значительное уменьшение амплитуды изменений минерализации воды (в том числе и других консервативных компонентов водных масс) 8. Исследованы процессы формирования и выполнен прогноз баланса приоритетных загрязнителей веществ в дельте р. Селенги. Важнейшим процессом, влияющим на динамику поступления вещества в озера Байкал, является накопление вещества в дельте р. Селенги. Впервые даны оценки вклада различных факторов в суммарную фильтрационную (защитную) функцию дельты. Основную роль играет переотложение вещества в русловых секторах дельты, в которых зона аккумуляции тонкодисперсного илисто-глинистого материала, сорбирующего основную массу загрязняющих веществ, приурочены к нижней 15-километровой зоне дельты. В среднем процессы отложения материала в пределах пойменных массивов (озерах, болотных массивов, на поверхности поймы), увеличивают интенсивность аккумуляции (ΔS, % > 0) в пределах дельты на 25%. В водной растительности дельты в конце вегетативного периода может накапливаться от 0,07% (Cr) до 7,0% (Fe), в зависимости от вида и способа подсчета. 9. Адаптация статистической функциональной связи между водностью и балансом взвешенного вещества в дельте позволило дать количественную оценку трансформации фильтрационной способности руслового сектора дельты. Важнейшую роль в изменении условий привноса вещества в озеро Байкал будет играть трансформация гидрологического режима дельты, связанное с дальнейшим снижением стока. Ее основной чертой будет уменьшения продолжительности половодья и снижения затопляемости дельтовых массивов в период прохождения высокого стока. Осредненное по 4-м сценариям МГЭИК RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5 изменение затопляемости поймы составит относительно условий среднего по водности года (референсный год – 2001): для периода 2020-2039 – на 2,5 %; для периода 2040-2059 – на 3,6 %; для периода 2060-2079 – на 15 %; для период – на 25 %. Максимальное снижение площади затопления от референсного периода составляет -51,9 % для сценария RCP8.5 на конец XXI века. Осредненное по разным сценариям снижение аккумуляции в русловом секторе дельты составит: для периода 2020-2039 – на 44 %; для периода 2040-2059 – на 50,5 %; для периода 2060-2079 – на 65,5 %; для периода – на 73,5 %. При этом возможное снижение скоростного режима основных рукавов, интенсификация развития водной растительности, станет фактором увеличения задержки взвешенного материала. С учетом антагонистических эффектов от разных процессов, связанных со снижением обводненности гидрографической сети дельты, наиболее вероятной моделью накопления приоритетных загрязнителей в дельте признана существующее распределение: Zn (56 %) – Fe, Co, Pb (34-39 %) – Ni, As, Cu (24-29 %) – Mn, Mo (16-19 %) – Sr (7,4 %). 10. Дана комплексная оценка различных факторов на изменение экологического состояния ихтиофауны рек бассейна Селенги. Снижение водности наиболее сильно будет сказываться на сокращении доступной для нагула гидрографической сети за счет пересыхания и перемерзания части рек, а также изменения условий миграции. В соответствие с существующими моделями миграции Байкальского омуля, снижение стока (уровней воды) рассматривается как фактор увеличения продолжительности миграции в связи с более благоприятными гидродинамическими условиями для подъема рыбы вверх по течению. Относительно многолетнего референсного периода наблюдений за миграцией омуля (с 1983 по 2013) гг. возможно увеличение продолжительности миграции омуля от 4,6 % в середине XXI века до 13,6 % к конце XXI века. Максимальная дальность протяженности миграции в условиях осредненных гидрографов может составить до 300 км, возможны одиночные заходы омуля в р. Чикой и р. Орхон. Интенсивный характер развития горнодобывающей экономики (сценарий МГЭИК RCP8.5) предполагает дальнейшее увеличение воздействия на речные экосистемы в пределах локальных участков рек. Сохранение выраженных глубоких изменений сообществ будет наблюдаться на 6 локальных участках бассейна, 4 из которых приурочены к бассейну р. Орхон. Продолжение активной добычи полезных ископаемых приведет к глубокой деградации ихтиофауны таких участков рек, как р. Джида (среднее течение), р. Хараа, р Гацурт, в настоящее время испытывающих умеренную степень трансформации сообществ. В случае развития принципов зеленой экономики (сценарий МГЭИК RCP2.6), глобальном переходе на биотопливо, восстановлении лесных массивов, возможно восстановление состояния ихтиофауны на крупнейших реках (Селенга, Чикой, Джида).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".