Цифровое моделирование латеральных потоков влаги и цезия-137 на микроландшафтном уровне в полугидроморфных почвах Брянской области

Аннотация

Существенная роль в движении воды в почвенном профиле принадлежит преимущественным вертикальным потокам влаги, при этом исследованию латеральных потоков уделяется меньшее внимание. Предложен метод исследования латеральных потоков влаги на микроландшафтном уровне с использованием 137Cs «чернобыльского» происхождения в качестве маркера. Для ГИС-моделирования латерального переноса использованы гидрологические атрибуты микрорельефа, полученные на основе цифровой модели рельефа (ЦМР) масштаба 1:200 с сечением горизонталей 20 см. Площадь водосборных участков, протяженность водных потоков, структура эфемерной микроручейковой сети, построенная по методу Хортона – Стралера, а также топографический индекс влажности (TWI) качественно характеризуют интенсивность увлажнения почвы, а также латеральные потоки на микроландшафтном уровне. Введено представление о «преимущественных латеральных потоках» по аналогии с вертикальными «преимущественными потоками влаги». Благодаря пространственным особенностям строения нано- и микрорельефа латеральный перенос формирует эфемерные паттерны с различным режимом увлажнения: «пальчатые», нитевидные и другие. Выявлен слабый уровень зависимости латеральной миграции 137Cs от производных ЦМР.

Литература

1.    Линник В.Г. Ландшафтная дифференциация техногенных радионуклидов. М., 2018.
2.    Линник В.Г., Савельев А.А. Гетерогенность и пространственная коррелированность распределения цезия-137 в почве лесных экосистем на микроландшафтном уровне в Брянской области // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 2.
3.    Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. М., 2011.
4.    Умарова А.Б., Шеин Е.В., Кухарук Н.С. Основная гидрофизическая характеристика агросерых почв: влияние анизотропии и масштабного фактора // Почвоведение. 2014. № 12.
5.    Шеин Е.В. Гидрология почв: этапы развития, современные тенденции, ближайшие перспективы // Почвоведение. 2010. № 2.
6.    Щеглов А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах: по материалам 10-летних исследований в зоне влияния аварии на ЧАЭС. М., 2000.
7.    Ali G.A., Roy A.G., Legendre P. Spatial relationships between soil moisture patterns and topographic variables at multiple scales in a humid temperate forested catchment // Water Resour. Res. 2010. Vol. 46. W10526.
8.    Beven K., Germann P. Macropores and water flow in soils revisited // Water Resour. Res. 2013. Vol. 49. https://doi.org/10.1002/wrcr.20156, 2013
9.    Beven K.J., Kirkby M.J. A physically based, variable contributing area model of basin hydrology // Hydrol. Sci. J. 1979. 24. https://doi.org/10.1080/02626667909491834
10.    Beven K.J., Kirkby M. J., Freer J.E. and Lamb R. A history of TOPMODEL // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2021. 25. https://doi.org/10.5194/hess-25-527-2021, 2021
11.    Borselli L., Cassi P. et al. Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: a GIS and field numerical assessment // Catena. 2008. Vol. 75.  
12.    Bracken L.J., Wainwright J., Ali G.A. et al. Concepts of hydrological connectivity: Research approaches, pathways and future agendas // Earth-Science Reviews. 2013. Vol. 119.
13.    Chesnokov A.V., Govorun A.P., Fedin V.I. et al. Method and Device to Measure 137Cs Soil Contamination In-Situ // Nuclear Instruments and Methods. 1999. A 420.
14.    Conrad O., Bechtel B., Bock M. et al. System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v.2.1.4. // Geosci. Model Dev. 2015. Vol. 8. https://doi.org/10.5194/gmd-8-1991-2015
15.    Farthing M.W., Ogden F.L. Numerical Solution of Richards’ Equation: A Review of Advances and Challenges // Soil Sci. Soc. Am. J. 2017. Vol. 81. https://doi.org/10.2136/sssaj2017.02.0058
16.    Gruber S., Peckham S. Land-surface parameters and objects in hydrology // In: Hengl, T., Reuter H.I. Geomorphometry. 2008.
17.    Jiang Ya., Zhang Ya., Fan B. et al. Preferential flow influences the temporal stability of soil moisture in a headwater catchment // Geoderma. 2023. Vol. 437.
18.    Kim J., Mohanty B.P. Influence of lateral subsurface flow and connectivity on soil water storage in land surface modeling // J. Geophys. Res. Atmos. 2016. Vol. 121. https://doi.org/10. 1002/2015JD024067
19.    Linnik V.G., Saveliev A.A., Govorun A.P. et al. Spatial variability and topographic factors of 137Cs soil contamination at a field scale // International Journal of Ecology & Development. 2007. Vol. 8, № 7.
20.    Or D., Lehmann P., Assouline S. Natural length scales define the range of applicability of the Richards equation for capillary flows // Water Resour. Res. 2015. Vol. 51. https://doi.org/10.1002/ 2015WR017034
21.    Strahler A.N. Quantitative analysis of watershed geomorphology // Transactions of the American Geophysical Union. 1957. 8(6). https://doi.org/10.1130/ 0016-7606
22.    Tarboton D.G. Rainfall-runoff processes. A workbook to accompany the Rainfall-Runoff Processes. Web Module. Technical Report. 2003.  
23.    van der Linden J.H., Tordesillas A., Narsilio G.A. Preferential flow pathways in a deforming granular material: self-organization into functional groups for optimized global transport // Sci. Rep. 2019. № 9. https://www.nature.com/articles/s41598-019-54699-6        
24.    Western A.W.A., Grayson R.R.B., Blöschl G. et al. Observed spatial organization of soil moisture and its relation to terrain indices // Water Resour. Res. 1999. Vol. 35. https://doi.org/10.1029/1998WR900065
25.    Wienhöfer J., Zehe E. Predicting subsurface stormflow response of a forested hillslope – The role of connected flow paths // Hydrology and Earth System Sciences. 2014. Vol. 18(1). https://doi.org/10.5194/hess-18-121-2014
26.    Winzeler H.E., Owens P.R., Read Q.D. et al. Topographic Wetness Index as a Proxy for Soil Moisture in a Hillslope // Land. 2022. 11:2018. https://doi.org/10.3390/land11112018