On climate-induced and anthropogenic changes in the interaction of surface and groundwater in the Central-Blackearth Zone of Russia

Authors

DOI:

https://doi.org/10.34753/HS.2024.6.4.361
+ Keywords

climatic and anthropogenic factors, interaction of river and groundwater, flow regulation, river overgrowth, drainage basis

+ Abstract

The ongoing climate warming is leading to changes in groundwater supply and discharge into rivers. In the Don River basin, the influence of various anthropogenic factors is added to the climate-related factors of surface and groundwater interaction. These include presence of tens of thousands of ponds in the upper parts of the hydrographic network, intensive overgrowth of small rivers, and irretrievable withdrawal of water resources growing with economic development. Since water exchange between groundwater and surface water bodies is dependent on their hydraulic connection, the response of groundwater level regime, its flow, and discharge into rivers to climate change and economic activities in the catchments varies. The water flow regulation system in this region was designed for a previous “quasi-stationary” climatic period. At present, with warming winters, the spring flood has significantly decreased. with its volume now almost equivalent to the regulating capacity of existing ponds. Therefore, the proportion of water retained in the upper links of the hydrographic network has increased, not only due to ponds but also because of the intensively overgrown beds of small rivers. As a result of these factors, coupled with the increasing irretrievable water resources withdrawal from the basin due to regional economic development and rising water consumption for greater crop yields across large areas, the groundwater drainage base in the rivers is being lowered. This has led to a continuous decrease in river levels since the early XXI century. In the future, this decline in groundwater levels may result in the degradation of the upper links of the hydrographic network, an increased risk of the aeration zone “drying up”, and a reduction of moisture content in the productive meter layer of soil with subsequent reduction of yields in the chernozem zone.

+ Author Biographies

Mikhail L. Markov

Ph. D. (Geography), Leading Researcher, Head of the Department of Forecasting of Hydrological Processes and Experimental Hydrology, State Hydrological Institute (Saint-Petersburg, Russia),

SPIN: 2490-9147,  https://orcid.org/0000-0002-6118-2704

Elena V. Gurevich

Ph. D. (Geography), Senior Researcher, State Hydrological Institute (Saint-Petersburg, Russia),

https://orcid.org/000-0003-0739-4244

Sergey A. Zhuravin

Senior Researcher, State Hydrological Institute (Saint-Petersburg, Russia)

+ References

Banks, E. W., P. Brunner and C.T. Simmons Vegetation controls on variably saturated processes between surface water and groundwater and their impact on the state of connection, Water Res., 2011, 47:W11517. DOI:10.1029/2011WR010544.

Журавин С.А. Исследование процессов влагооборота на воднобалансовых станциях России. СПб.: ООО «РИАЛ». 2022. 224 с.

Zhuravin S.A. Study of water rotation processes at water-balance stations in Russia. SPb.: LLC “RIAL”. 2022. 224 с.

Гуревич Е.В. Климатические и не климатические факторы формирования стока в бассейне реки Битюг // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2024. Т. 6. Вып. 2. С. 170−191. DOI: 10.34753/HS.2024.6.2.170.

Gurevich E.V. Climatic and non-climatic factors of runoff formation in the Bityug river basin // Hydrosphere. Hazardous processes and phenomena, 2024, vol. 6, iss. 2, рр. 170–191. DOI: 10.34753/HS.2024.6.2.170.

Лавров С.А. Влияние климатических изменений на процессы формирования стока на водосборах / СПб.: ООО «Свое издательство, 2024. 294 с.

Lavrov S.A. Influence of climatic changes on the processes of runoff formation on watersheds. St. Petersburg: Svoye publ. house, 2024, 294 р.

Степанов А.В., Далбаев Е.К. Влияние циклов замораживания-оттаивания на тепло-массообменные свойтсва техногенных криогенных грунтов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012.Т. 14. №4(5). С. 1296–1299.

Stepanov, A.V. Dalbaev E.K. Influence of freeze-thaw cycles on heat-mass exchange properties of technogenic cryogenic soils. Izvestia Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2012, vol. 14, №4(5), рр. 1296–1299.

Оценка потерь талых вод и прогнозы объема стока половодья (В равнинных р-нах Европ. территории СССР) / Вершинина Л.К., Крестовский О.И., Калюжный И.Л., Павлова К.К. / Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 190 с.

Кравцов Ю.В. Термоградиентное передвижение влаги в пахотных почвах юга Сибири. URL:https://orensteppe.org/content/termogradientnoe-peredvizhenie-vlagi-v-pahotnyh-pochvah-yuga-sibiri?ysclid=m9h7nqj3yz133223291 DOI: 10.24412/cl-37200-2024-591-598 (дата обращения 12.03.2025).

Kravtsov Yu.V. Thermogradient moisture movement in arable soils of southern Siberia URL:https://orensteppe.org/content/termogradientnoe-peredvizhenie-vlagi-v-pahotnyh-pochvah-yuga-sibiri?ysclid=m9h7nqj3yz133223291 DOI: 10.24412/cl-37200-2024-591-598 (12.03.2025).

Соколова Н.В. Исследование закономерностей миграции влаги при промерзании почвы // Труды ГГИ. 1980. Вып.265. С.30–38.

Sokolova N.V. Study of moisture migration patterns during soil freezing. Proceedings of the State Geological Institute, 1980, vol.265, pp. 30–38.

Лавров С.А., Марков М.Л. Оценка влияния атмосферного давления на уровень и сток грунтовых вод // Инженерные изыскания. 2018 Т. XII. №11–12. С.44–51. DOI: 10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-44-51.

Lavrov S.A., Markov M.L. Assessment of the influence of atmospheric pressure on the level and flow of groundwater. Engineering surveys, 2018, vol. XII., iss.11–12, рр. 44–51. DOI: 10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-44-51.

Рахманов В.В. О концепции «мертвого» горизонта и преувеличения в подсчетах испарения с лесных полос // Труды ГГИ. 1974. Вып.221. С. 225–258.

Rakhmanov V.V. On the concept of “dead” horizon and exaggeration in calculations of fossilization from forest strips. Proceedings of GGI, 1974, iss.221, pp. 225–258.

Ведяшкина В.В., Поздняков С.П. Колебания уровня грунтовых вод в районе станции Каменная степь как индикатор климатических изменений в бассейне Среднего Дона // Метеорология и гидрология. 2024. №11. С. 33–46.

Vedyashkina V.V., Pozdnyakov S.P. Groundwater level fluctuations in the area of Kamennaya steppe station as an indicator of climatic changes in the Middle Don basin. Meteorology and Hydrology, 2024, №11, рр. 33–46.

Поздняков С.П., Ведяшкина В.В., Филимонова Е.А., Позднякова Н.И. Ретроспективный анализ многолетних колебаний уровней воды в Докучаевском колодце в Каменной Степи // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2023. С.110–126.

Pozdniakov S.P., Vedyashkina V.V., Filimonova E.A., Pozdniakova N.I. Retrospective analysis of long-term groundwater level fluctuations in Dokuchaev pit. Moscow University Geol. Bull, 2023, iss.4, pp. 110–126.

Журавин С.А., Марков М.Л., Гуревич Е.В. Многолетние изменения процессов влагооборота по данным воднобалансовых станций в центральной части бассейна р.Дон. / Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 729–741.

Zhuravin S.A., Markov M.L., Gurevich E.V. Multiyear changes of moisture circulation processes according to the data of water-balance stations in the central part of the Don River basin. Water Resources, 2020, vol. 47, iss. 6, pp. 729–741.

Журавин С.А., Гуревич Е.В. Марков М.Л. Переходный период в перестройке системы влагооборота водосборов (по данным воднобалансовой станции Каменная Степь) // Метеорология и Гидрология. 2024. №1. С.17–28.

Zhuravin S.A., Gurevich E.V., Markov M.L. Transition period in the restructuring of the water rotation system of catchments (based on data of the water-balance station Kamennaya Steppe). Meteorology and Hydrology,2024, vol.1, С.17–28.

Джамалов Р.Г., Киреева М.Б., Косолапов А.Е., Фролова Н.Л. Водные ресурсы бассейна Дона и их экологическое состояние. М.: ГЕОС, 2017. 204 с.

Jamalov R.G., Kireeva M.B., Kosolapov A.E., Frolova N.L. Water resources of the Don basin and their ecological state / Moscow: GEOS, 2017, 204 р.

Варенцова Н.А., Гречушникова М.Г., Повалишникова Е.С., Киреева М.Б., Харламов М.А., Фролова Н.Л. Влияние климатических и антропогенных факторов на весенний сток в бассейне Дона // Вестн. Моск. ун-та. 2021. № 5. С. 91–108.

Varentsova N.A., Grechushnikova M.G., Povalishnikova E.S., Kireeva M.B., Kharlamov M.A., Frolova N.L. Influence of climatic and anthropogenic factors on spring runoff in the Don basin. Moscow University Bull., 2021, iss. 5, рр. 91–108.

Долгов С.В. Антропогенные и климатические изменения водных ресурсов в Курской области и их последствия // Вопросы географии. Сб. 157. Водные проблемы и их решение. 2023. C. 105–123.

Dolgov S.V. Anthropogenic and climatic changes in water resources in the Kursk region and their consequences. Voprosy geografii. Sb. 157. Water problems and their solution. 2023, рр. 105–123.

Водогрецкий В.Е., Крестовский О.И. Воднобалансовые экспедиционные исследования / Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 144 с.

Сидоров И.В. Химизация сельского хозяйства России: из истории науки и техники // Научно-технологическое развитие России в условиях новых вызовов: сборник научных трудов по материалам Международной научнопрактической конференции 13 июня 2024 г. / Под общ. ред. Е. П. Ткачевой. – Белгород: ООО Агентство перспективных научных исследований (АПНИ), 2024. С. 5–11.

Sidorov I.V. Chemicalization of Russian agriculture: from the history of science and technology // Scientific and technological development of Russia in the conditions of new challenges: a collection of scientific papers on the materials of the International scientific-practical conference on June 13, 2024 / Edited by E. P. Tkacheva. Belgorod: OOO Agency for Advanced Scientific Research (APNI), 2024, рр. 5–11.

Чуян О.Г. Усовершенствованная база данных для планирования урожайности сельскохозяйственных культур при проектировании системы удобрений (для Центрального Черноземья) / Курск: ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2011. 53 с.

Chuyan O.G. Improved database for crop yield planning in the design of fertilizer system (for the Central Black Earth Region) / Kursk: GNU VNIIZIZiZPE RASKhN, 2011, 53 р.

Partington D., Therrien R., Simmons Craig T., Brunner P. (2017). Blueprint for a coupled model of sedimentology, hydrology, and hydrogeology in streambeds // Reviews of Geophysics. Volume 55, Issue 2 p. 287–309. DOI: 10.1002/2016RG000530 (12.03.2025).

Шарина Ю.В. Методика оперативного учета стока в условиях зарастания русла (на примере реки Матыра в створе села крутое) // Водное хозяйство России №2. 2017. С. 73–92.

Соколов Б.Л., Черная Ф.Ф. Оценка потерь зимнего стока на образование речного льда и наледей речных вод (на примере рек Северо-Востока СССР) // Труды ГГИ. 1981. Вып. 272. С. 37–62

Исмайылов Г.Х., Мурашенкова Н.В., Исмайылова И.Г. Закономерности многолетнего годового стока реки Дон // Наука, технологии, общество. Сборник научных статей по материалам II Всероссийской научной конференции. Издательство: Общественное учреждение "Красноярский краевой Дом науки и техники Российского союза научных и инженерных общественных объединений". Красноярск. 2022. С. 31–37.

Ismayyilov G.H., Murashenkova N.V., Ismayyilova I.G. Regularities of multi-year annual flow of the Don River // Science, technology, society. Collection of scientific articles on the materials of the II All-Russian scientific conference. Publisher: Public Institution “Krasnoyarsk Regional House of Science and Technology of the Russian Union of Scientific and Engineering Public Associations”. Krasnoyarsk. 2022, рр. 31–37.

Чуян О. Г., Караулова Л. Н. Динамика урожайности основных культур в Центральном Черноземье // Земледелие 2023. №3, С. 3-8. DOI: 10/24412/0044-3913-2023-3-3-8.

Chuyan O. G. G., Karaulova L. N. Dynamics of yields of major crops in the Central Chernozem // Zemledeliye 2023. №3, рр. 3-8. DOI: 10/24412/0044-3913-2023-3-3-8.

Марков М.Л. Изменение вклада разных звеньев гидрографической сети в формирование стока малых рек // Гидрология и океанология. 2023. Сборник материалов конференции Студенческого научного общества Института гидрологии и океанологии РГГМУ. Казань. 2023. С. 68–74.

Markov M.L. Variation of the contribution of different links of the hydrographic network in the formation of runoff of small rivers. Hydrology and Oceanology. 2023. Proceedings of the Conference of the Student Scientific Society of the Institute of Hydrology and Oceanology of the Russian State Hydrometeorological University. Kazan. 2023, рр. 68–74.

+ Read article online

Downloads

Published

2025-12-28

Issue

Section

Monitoring, experimental and expeditionary research

How to Cite

Markov, M. L., Gurevich, E. V., & Zhuravin, S. A. (2025). On climate-induced and anthropogenic changes in the interaction of surface and groundwater in the Central-Blackearth Zone of Russia. Hydrosphere. Hazard Processes and Phenomena, 6(4), 361-373. https://doi.org/10.34753/HS.2024.6.4.361

Most read articles by the same author(s)

Loading...