Основная часть вредных химических соединений, попадающих в реки в результате человеческой деятельности, концентрируется во взвесях — твёрдых частицах в воде. Течения способны переносить тяжёлые металлы, пестициды и другие опасные вещества на большие расстояния. Отслеживать их довольно сложно, поскольку приходится учитывать множество различных факторов: скорость водного потока, его глубину, неоднородность распределения загрязнителей в толще воды и на дне. Учёные географического факультета МГУ представили алгоритм, который поможет справиться с трудной задачей.
Географы Московского государственного университета предложили оценивать количество взвесей с помощью акустических методов. Сделать это относительно быстро и точно позволяет акустический доплеровский измеритель течения. Этот прибор, установленный на борту судна, посылает в воду ультразвуковые волны, которые, отражаясь от дна, возвращаются обратно. Устройство улавливает ответный сигнал и по его рассеиванию определяет количество твёрдых взвешенных частиц в воде. Принцип работы прибора можно сравнить с эхом, которое человек слышит, например, крикнув в глубину колодца. Данный подход уже получил широкую известность применительно к измерениям расхода воды и скоростей течений, однако до настоящего времени не применялся для исследования речных взвесей.
Река Колыма в Магаданской области. Фото: Сергей Ковалёв, участник конкурса РГО "Самая красивая страна"
Географы МГУ с помощью акустического доплеровского измерителя течения изучили шесть российских рек, различающихся по глубине и протяжённости, характеру течения и географическому положению: Москву, Енисей, Лену, Обь, Колыму и Селенгу. Проведённые измерения скорости течения и интенсивности эхосигнала сопоставили с результатами отбора проб воды с разных глубин в этих же реках. В образцах воды с поверхности, со дна и из толщи водоёма авторы исследования аналитическими методами определили количество взвешенных веществ. Соотношения, полученные на основе этого сопоставления, в дальнейшем легли в основу большого массива данных мутности. Это десятки тысяч значений для каждой реки.
Подход позволил получить принципиально новые модели, описывающие распределение твёрдых частиц по глубине речных потоков, а также на качественно новом уровне оценивать потоки взвесей с материка в реки. Если существовавшие до сегодняшнего дня оценки основывались на разовых измерениях концентраций взвесей в пределах поперечного сечения реки, то разработанная технология стала автоматизированным способом получения данных из каждой точки потока.
Река Селенга. Республика Бурятия. Фото: Гульсара Галимзянова, участница конкурса РГО "Самая красивая страна"
Кроме того, на основе предложенной методики для исследуемых рек географы МГУ математически определили условия распределения частиц между придонными и взвешенными формами. Учёные 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 вперёд в исследованиях крупных рек, и в дальнейшем мы планируем включить в анализ другие водные артерии России, — рассказал руководитель проекта, доктор географических наук, доцент кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ Сергей Чалов.
Река Обь и её протоки. Фото: Евгений Замятин, участник конкурса РГО "Самая красивая страна"
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Big Earth Data.