В международном журнале Urban Climate (Q1) опубликована статья, представляющая результаты многолетних исследований стока воды и взвешенных наносов реки Сетунь ‒ крупнейшего правого притока Москвы-реки в черте столицы. Впервые для малой городской реки проведена комплексная оценка гидрологического режима на основе данных высокочастотного мониторинга. Работа выполнена учеными географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института водных проблем РАН.
Водосбор Сетуни площадью 190 км2 полностью расположен в пределах Московского столичного региона. Ученых интересовало, как урбанизация одной из крупнейших городских агломераций в мире повлияла на характеристики стока реки Сетунь, прежде всего ‒ на величину и время прохождения паводков, и как изменился транспорт взвешенных наносов за последние 45 лет.
Чтобы осуществлять контроль над состоянием реки, была организована система мониторинга, основанная на датчиках, фиксирующих количество атмосферных осадков, объем и количество переносимых наносов. С ноября 2019 года на реке Сетунь функционирует уникальная сеть гидрологического мониторинга высокой четкости, состоящая из пяти автоматических станций, охватывающих участок от истока до устья. Собранные данные сопоставляются с информацией о среднесуточных расходах воды, получаемой с гидрологического поста, действовавшего на Сетуни в период с 1979 по 1988 год. Также проводились подробные исследования состава взвешенных наносов, включавшие определение концентрации и гранулометрического состава.
Результаты геопространственного анализа территории выявили, что водосбор реки Сетунь на 38% покрыт непроницаемыми материалами, такими как асфальт, бетон, кровли и другие урбанизированные поверхности. По словам одного из авторов исследования, заведующего лабораторией эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, профессора, расширение застроенных территорий по сравнению со второй половиной XX века, а также более частые зимние оттепели оказали значительное влияние на годовой сток реки. Дождевые осадки, составляющие 22-33% объема стока, стали основным источником питания реки, в то время как доля весенних паводков уменьшилась до 3,8-16,7% годового стока Сергей Чалов.
Наибольший объем воды Сетунь испытывает в летние месяцы. Это указывает на значительные изменения в гидрологическом режиме, характеризующиеся отклонением от привычного сезонного распределения стока. Обычно в реках средней полосы пик многоводности приходится на весну и обусловлен таянием снега.
Анализ данных показал, что интенсивность весеннего половодья снизилась вдвое по сравнению с периодом второй половины XX века, в то время как частота паводков увеличилась почти в десять раз. В районе Сетуни наблюдается до 29 кратковременных паводков в год, что обусловлено быстрым реагированием водосбора на ливневые осадки.
Полученные данные свидетельствуют о значительном росте объема транспортируемых наночастиц, что выражается в увеличении мощности потока наносов в 3-4 раза относительно естественного уровня.
В рамках исследования был выделен отдельный раздел, посвященный использованию моделей машинного обучения для определения концентрации взвешенных наносов, или мутности воды, с различным временным разрешением, варьирующимся от получаса до суток. Для прогнозирования использовались данные об уровне и расходе воды, атмосферных осадках, температуре воздуха, а также их производные.
«В ходе тестирования было рассмотрено пять различных моделей. Наиболее точные результаты при прогнозировании суточных значений мутности воды показала рекуррентная нейросеть LSTM RNN (Long Short-Term Memory), которая позволила с минимальной погрешностью определить время наступления и величину пиков мутности. По мнению одного из авторов исследования, инженера Института водных проблем РАН, нейросеть LSTM RNN является наиболее подходящим методом прогнозирования мутности воды и обладает значительными преимуществами в задачах, где важные события разделены временными интервалами переменной длительности Ирина Денисова.
Данные, полученные в ходе мониторинга реки Сетунь, представляют собой значимую практическую ценность. Изменения в гидрологическом режиме, такие как нарушение сезонного распределения водных расходов, существенное увеличение числа паводков (до 29 раз в год) и рост объема переносимых наносов, ежегодно вызывают наводнения в пойме реки, причиняя вред городской инфраструктуре. Эти сведения служат базой для регулирования поверхностного стока, разработки проектов ливневой инфраструктуры и проведения экологического контроля за состоянием водных ресурсов Москвы.
Работа была осуществлена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проекты 19-77-30004-П и 25-17-00073) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (075-15-2025-008). Материалы мониторинга находятся в открытом доступе в репозитории Mendeley Data.
Пресс-служба географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова предоставила информацию и фотографии