Summarizing of experience in assessing river runoff components based on EMMA-modeling

Authors

DOI:

https://doi.org/10.34753/HS.2023.5.4.310
+ Keywords

river runoff components, chemical tracers, EMMA, principal component analysis, mixing diagram

+ Abstract

The challenges of identification and assessing the river runoff components are becoming increasingly relevant due to the need to develop in-depth understanding of runoff generation mechanisms. Their solution would contribute to the understanding of many related issues concerning the formation of the chemical composition of river waters, the nature of the interaction of surface and groundwater, and enhancement of resource estimates of river runoff components. The structure of water masses in river catchments is multiplicity and is not fully reflected in the classical classifications - river runoff water sources dividing by genesis, classification of groundwater flow types to rivers, which make it necessary their addition and detail. The aim of this work is to summarize the accumulated experience in Russian for testing diagnostic procedures of EMMA-modeling in identifying sources of river runoff components and their assessment with using data of hydrological and hydrochemical measurements. The objects under study are experimental watersheds of small and medium-sized rivers, which are located in different physical and geographical conditions and have fundamental distinctive feature in the nature of water sources. The geographic scope of testing and adaptation of the model includes watersheds located in the Far East (the Ussuri River basin), in the permafrost zone in the far north (the Yanranaivaam River basin, Chukotka), on its southern border – the Mogot hydrological test site (the Gilyuy River basin, zone of Baikal-Amur Mainline Railway), on the territory of the Sarma geoecological test site in the Baikal region (the Sarma river basin), in the zone of mixed forests of the East European Plain (the Zapadnay Dvina river basin), in the area of the distribution of karst in the Crimean Mountains (the Belbek and the Biyuk-Karasu river basins). The discussed approach of diagnostic modeling of runoff formation based on EMMA includes the integration of two types of models: 1) a physical mixing model in the form of a system of balance equations for water and chemical tracers and 2) the projection method of principal component analysis from the class of formal mathematical models. This work systematizes the final results of EMMA modeling previously obtained by the authors: sets of chemical tracers used in adapting the mixing model, and identified types of river runoff components in experimental catchments. Chemical tracers which most often exhibit conservative hypothesis: water mineralization (or specific electrical conductivity), bicarbonate ion, sulfate ion. Calcium, magnesium, sodium, and dissolved silicon ions exhibited conservative properties a smaller number of times. Dissolved organic carbon exhibits high indicative properties in the separation of subsurface soil-slope runoff into runoff components from organic soil and mineral horizons. The identified various types of subsurface flow show the effectiveness of diagnostic EMMA-modeling in research the structure of river flow, establishing its regional specificity, due to different landscape situations in the basins. The demonstrated possibilities of assessing the components of river flow of any time dynamics (daily, seasonal, flood) opens up prospects for an in-depth understanding of the mechanisms of runoff formation.

+ Author Biographies

Tatiana S. Gubareva

PhD in Geography, Senior Researcher at Laboratory of Global Hydrology of Water Problem Institute of RAS

Boris I. Gartsman

PhD, Dr.Sci.(Geography),
Chief Researcher, Hydroinformatics Lab, Water Problem Institute of RAS
SPIN 7792-9120
https://orcid.org/0000-0002-5876-7015
ResearcherID Q-5672-2016

+ References

Василенко Н.Г. Гидрология рек зоны БАМ: Экспедиционные исследования. СПб.: Нестор-История, 2013. 672 с.

Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Современные проблемы гидрологии. М.: Издательский центр Академия, 2008. 320 с.

Воронков П.П. Закономерности процесса формирования и зональность химического состава вод местного стока // Труды ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1963. Вып. 102. С. 43-119.

Губарева Т.С., Болдескул А.Г., Трегубов О.Д., Тарбеева А.М. Шамов В.В., Лебедева Л.С., Луценко Т.Н. Экспресс-диагностика источников питания малой арктической реки по результатам краткосрочной гидрологической съемки (Чаунская низменность, Чукотка) // Водные ресурсы. 2023. Т. 50. № 1. С. 15-27. DOI: 10.31857/S032105962301008X.

Губарева Т.С., Гарцман Б.И., Василенко Н.Г. Источники формирования речного стока в зоне многолетней мерзлоты: оценка методами трассерной гидрологии по данным режимных гидрохимических наблюдений // Криосфера Земли. 2018. Т. 22. № 1. С. 3243. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2018-1(32-43).

Губарева Т.С., Гарцман Б.И., Ефимова Л.Е., Терский П.Н., Белякова П.А., Казачук А.А. Идентификация и оценка источников питания стока заболоченного водосбора в бассейне реки Западная Двина // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2022. Т. 4. № 2. С. 183-201. https://doi.org/10.34753/HS.2022.4.2.183.

Губарева Т.С., Гарцман Б.И., Солопов Н.В. Модель смешения четырех источников питания речного стока с использованием гидрохимических трассеров в задаче разделения гидрографа // Водные ресурсы. 2018. Т. 45. № 6. С. 583-595. https://doi.org/ 10.1134/S032105961806007X.

Губарева Т.С., Гарцман Б.И., Шамов В.В., Болдескул А.Г. Кожевникова Н.К. Разделение гидрографа стока на генетические составляющие // Метеорология и гидрология. 2015. № 3. С. 97-108. https://doi.org/10.3103/S1068373915030097.

Кичигина Н.В., Губарева Т.С., Шамов В.В., Гарцман Б.И. Трассерные исследования формирования речного стока в бассейне озера Байкал // География и природные ресурсы. 2016. № S5. С. 60-69. https://doi.org/10.21782/GIPR0206-1619-2016-5(60-69).

Климчук А.Б. Эпикарст: гидрогеология, морфогенез и эволюция. Симферополь: Изд-во Сонат, 2009. 111 c.

Красная пещера. Опыт комплексных карстологических исследований / под ред. В.Н. Дублянского. М.: Изд-во РУДН, 2002. 190 с.

Куделин Б.И. К вопросу о так называемом «внутрипочвенном стоке» и его роли в гидрологическом режиме почв и рек // О «внутрипочвенном стоке» и его роли в гидрологическом режиме почв и рек. Материалы дискуссии, состоявшейся в ГГИ 11–12 февраля 1954 г. Л.: Гидрометеоиздат, 1955. С. 7-22.

Марков М.Л. Оценка поверхностной и подземной составляющих речного стока по минерализации воды // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2022. Т. 4. Вып. 1. С. 93-104. https://doi.org/10.34753/HS.2022.4.1.93.

Писарский Б.И., Хаустов А.П. Применение гидрохимических методов для оценки взаимодействия поверхностных и подземных вод в горно-складчатых областях (на примере озера Байкал) // Взаимосвязь поверхностных и подземных вод / Отв. ред. Семенова-Ерофеева С.М. М.: Изд-во МГУ, 1973. С. 211-213.

Померанцев А.Л. Хемометрика в Excel: учебное пособие. Томск.: Изд-во Томского политех. ун-та, 2014. 435 с.

Сучкова К.В. Моделирование генетических составляющих речного стока на водосборе Можайского водохранилища. Дисс. ... канд. геогр. наук. М., 2021. 157 с.

Тарбеева А.М., Трегубов О.Д., Лебедева Л.С. Структура склоновой ложбинной сети криолитозоны в окрестностях г. Анадыря // Геоморфология. 2021. Т. 52 №. 1. С.109-120. https://doi.org/10.31857/S0435428121010132.

Фотиев С.М. Химический состав атмосферных осадков в районе пос. Чульман Якутской АССР // Гидрохимические материалы. 1964. Т. 36, с. 3-14.

Чеснокова И.В., Безделова А.П., Сергеев Д.О., Тананаев Н.И., Гришакина Е.А. Признаки и значение структур подповерхностного стока на территории криолитозоны // Водные ресурсы. 2021. Т. 48. № 5. С. 578587. https://doi.org/10.31857/S0321059621050060.

Шамов В.В., Гарцман Б.И., Губарева Т.С., Кожевникова Н.К., Болдескул А.Г. Экспериментальные исследования генетической структуры стока с помощью химических трассеров: постановка задачи // Инженерные изыскания. 2013. № 1. С. 60-69.

Шамов В.В., Луценко Т.Н., Лебедева Л.С., Тарбеева А.М., Ефремов В.С., Павлова Н.А., Ксенофонтова М.И. Химическая индикация процессов формирования стока половодья на малом экспериментальном водосборе Приленского плато, республика Саха (Якутия) // Водные ресурсы. 2023. Т. 50. № 3. С. 286-299. https://doi.org/10.31857/S0321059623030124.

Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны. Новосибирск: Академ. изд-во «ГЕО», 2011. 169 с.

Эдельштейн К.К, Смахтина О.Ю. Генетическая структура речного стока и химико-статистический метод выделения ее элементов // Водные ресурсы. 1991. № 5. С. 5-20.

Cristophersen N., Hooper R.P. Multivariate analysis of stream water chemical data: the use of principal component analysis for the end-member mixing problem // Water Resources Research. 1992. V. 28(1) P. 99–107. https://doi.org/10.1029/91wr02518.

Gonzales A.L., Nonner J., Heijkers J., Uhlenbrook S. Comparison of different base flow separation methods in a lowland catchment // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2009. V. 13. Р. 2055-2068. https://doi.org/10.5194/hessd-6-3483-2009.

Hooper R.P. Diagnostic tools for mixing models of stream water chemistry // Water Resources Research. 2003. V. 39. 1055. https://doi.org/ 10.1029/2002WR001528.

Hooper R.P., Christophersen N., Peters N.E. Modelling stream water chemistry of soilwater end-members – An application to the Panola Mounting Catchment, Georgia, U.S.A. // Journal of Hydrology. 1990. V. 116. № 1-4. P. 321-343. https://doi.org/10.1016/0022-1694(90)90131-G.

Pinder G.F., Jones J. F. Determination of the groundwater component of peak discharge from the chemistry of total runoff // Water Resources Research. 1969. Vol. 5. № 2. Р. 438-445. https://doi.org/10.1029/WR005I002P00438.

+ Read article online

Downloads

Published

2024-07-09

Issue

Section

Methods, models and technologies

How to Cite

Gubareva, T. S., & Gartsman, B. I. (2024). Summarizing of experience in assessing river runoff components based on EMMA-modeling . Hydrosphere. Hazard Processes and Phenomena, 5(4), 310-336. https://doi.org/10.34753/HS.2023.5.4.310

Most read articles by the same author(s)

Loading...