Математика на службе у природы: что произошло с дельтой реки Дон?
Сегодня для изучения и прогнозирования природных и вообще физических процессов все чаще используется математическое моделирование. Не секрет, что на компьютерах достаточно большой мощности можно смоделировать даже взрыв ядерной бомбы. Математику пришлось "включить" и в процесс изучения того, что происходит с Азовским морем и его притоками, главный из которых — река Дон.
Насколько перспективны такие исследования? Что они дают на выходе в практическом плане? Способны ли математические алгоритмы учесть основные факторы, определяющие гидрологический режим Азовского моря? Об этом мы говорим с председателем Южного научного центра РАН, доктором географических наук Сергеем Бердниковым.
— Сергей Владимирович, можно ли описать "музыку моря" с помощью чисел?
— Можно, но для того чтобы математическая модель была адекватной, настройка ее параметров должна проводиться на основе данных наблюдений за достаточно продолжительный период времени.
В течение нескольких лет коллектив ученых ЮНЦ и МГУ исследовал геохимические потоки соединений тяжелых металлов и биогенных элементов в устьевой области Дона. Эта работа была начата еще под руководством директора Института аридных зон ЮНЦ РАН, члена-корреспондента РАН Дмитрия Матишова. Прошли экспедиции, лабораторные исследования. Вместе с полевиками работали специалисты по матмоделированию и современным информационным технологиям.
— Приходится ли сталкиваться с тем, что математические модели дают неточные результаты?
— Когда мы занимались моделированием гидрологического режима, при помощи математической модели Корпуса американских инженеров выяснилось, что в момент спада воды после нагона модель дает неадекватные представления об изменении уровня в дельте. Согласно модели, вода задерживается на участках и не стекает, как это наблюдается в действительности.
Дело в том, что эти модели не учитывают роль ериков, (ерик — узкая протока, соединяющая озера, заливы, протоки и рукава рек между собой и с морем, также — искусственный осушительный канал. — Ред.). которые распространены в дельте Дона и служат как источником быстрого поступления воды и вещества в дельту при нагоне, так и — сброса воды во время спада уровня. Именно по этим ерикам идет значительный вынос вещества из дельты.
— Что предлагают ваши специалисты?
— Мы предлагаем новый взгляд на, казалось бы, известные процессы. В течение 15 лет благодаря научно-экспедиционной базе ЮНЦ в дельте Дона мы комплексно исследуем и собираем объективные данные о происходящих здесь процессах. Устьевая область Дона подвержена влиянию экстремальных проявлений гидрологического режима.
— О каких экстремальных условиях может идти речь?
— Первое проявление было в марте 2013 года, когда за короткое время уровень воды поднялся на 2,85 метра. После этого нагона, затронувшего напрямую базу ЮНЦ РАН в п. Кагальник Азовского района, мы начали формировать сеть автоматизированного мониторинга гидрологического режима в дельте Дона. Первый пост был построен на хуторе Донской у причала ЮНЦ РАН. Второй - в Таганрогском заливе в 10 километрах от берега на фундаменте старого створа.
— Что дал такой мониторинг?
— Наличие гидрологического поста позволило нам документировать экстремальный нагон в сентябре 2014 года. Тогда волна высотой более 3,3 метров забросила наш 20-тонный корабль "Профессор Панов" на причал.
Собрав данные, мы поставили задачу математического моделирования особенностей гидрологического режима дельты Дона в экстремальных условиях. В качестве инструмента использовали уже упоминавшуюся мной гидрологическую модель Корпуса американских инженеров.
— Это что — прогноз того, что такая-то территория может быть затоплена?
— Не только. Кроме нагонов, наблюдаются экстремальные сгоны воды. При северо-восточных ветрах уровень воды падает на 1,5 метра. При этом рукава Дона упираются в сушу. Дноуглубительные работы, проводимые в русле Дона, также влияют на гидрологический режим реки. Экстремальные пожары в условиях, когда около трех месяцев почти нет дождей, приводят к выжиганию растительности на огромной площади.
— В последнее время ученые все чаще говорят об изменении климата. Не будем говорить о всей планете. Расскажите, что происходит с Доном? В последние годы все чаще видны на нем отмели.
— Сток Дона имеет существенную межгодовую изменчивость. В XX веке река пережила много этапов преобразования: строились низконапорные плотины, введено было в эксплуатацию Цимлянское водохранилище, затем три гидроузла ниже по течению. Возможно, будет построен и четвертый гидроузел в районе хутора Арпачин.
За длительный период времени здесь наблюдались периоды маловодья, в последние годы этот период затянулся. В этом году, впервые за десять лет, у нас был относительно большой паводок и опасность затопления населенных пунктов. Возникли предположения, что период маловодья закончился, однако отсутствие обильных дождей в течение лета оставляет на это мало надежды.
— В ваших исследованиях уделяется много внимания не только водному стоку Дона, но и твердому. На что он влияет? Насколько важно его изучать?
— Гидрологический режим Таганрогского залива, ветровой режим, сгонно-нагонные колебания уровня оказывают существенное влияние на концентрацию взвеси на прилегающих участках дельты. Из-за гидротехнического строительства в устьевую область со стоком Дона поступает в год всего 400 тысяч тонн взвешенного материала, то есть в 10 раз меньше, чем в условиях естественного гидрологического режима. Закономерное увеличение расходов взвешенных наносов с ростом расхода воды нарушено.
В качестве экстремального гидрологического режима мы рассматривали нагон в сентябре 2014 года, когда была затоплена практически вся дельта. В это время в дельту Дона сверху поступило примерно 300 млн кубометров донской воды. А с противоположной стороны, из Таганрогского залива, за трое суток — свыше 800 млн кубометров воды — почти в три раза больше.
Во многих рукавах дельты — низкая скорость течения (20-30 см в секунду). Однако при нагоне течение может меняться на обратное, причем оно измеряется уже не сантиметрами, а метрами в секунду.
При нагонных явлениях в дельте Дона накапливается значительная масса взвешенного вещества. По мере спада уровня воды взвесь осаждается на залитых водой участках. В реке уменьшается мутность воды.
— Из года в год растет соленость Азовского моря. Чем это можно объяснить?
— В условиях маловодья соленые воды проникают глубоко в дельту Дона до водозаборов города Азова. Сегодня темпы роста солености в Азовском море даже выше, чем регистрировалось в 1970-е годы, в период аномальной солености водоема. Наблюдается устойчивый рост температуры поверхностных вод. Ледовитость в море сократилась примерно в два раза по сравнению с серединой XX века.
Вместе с тем сток органических веществ (азот и фосфор) в реке Дон постепенно возвращается к уровню, который был характерен для периода до строительства Цимлянской плотины.
— Как это отражается на дельте Дона?
В начале нашей беседы я вспомнил исследования распределения стока реки Дон по рукавам в условиях маловодья, которые наш коллектив провел с 2014 по 2017 годы. Тогда сетка станций охватывала все участки устьевой области Дона. Специалисты отобрали пробы воды и донных отложений для определения содержания биогенных элементов (фосфор, азот) и соединений тяжелых металлов, гидробиологические пробы.
Этот значительный по объему материал сегодня изучается и анализируется. Получено представление о сезонной динамике взвешенного вещества (мелкие частицы глины, песка, погибших организмов) в дельте Дона в период маловодья и зарегулированного стока рек. Можно с уверенностью сказать, что при нагоне воды и переносе взвеси из Таганрогского залива резко возрастает содержание соединений тяжелых металлов (например, свинца) в водах, проникающих в дельту.
— Что планируете делать дальше?
— Мы продолжаем изучение гидрологического цикла нагон-сгон. Нам интересно, как концентрируется взвесь, как меняется мутность воды. Поиск ответов на эти вопросы поможет понять, что ждет эту территорию в будущем.
Беседовала и подготовила к публикации Вероника Белоцерковская
Читайте также:
Ученые предупредили: климат Земли станет "смертоносной теплицей"