Географы Московского университета выяснили, как урбанизация изменила гидрологический режим реки Сетунь

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 учёными географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института водных проблем РАН. Подробностями поделилась пресс-служба геофака.

Водосбор Сетуни площадью 190 квадратных км 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.

Для этого городская река была взята под наблюдение с помощью датчиков для регистрации атмосферных осадков, измерения стока и наносов. С ноября 2019 года на реке Сетунь действует уникальная сеть высокочастотного гидрологического мониторинга, включающая пять автоматических станций, расположенных от верховий до устья реки. Полученные данные сравнивались с цифрами среднесуточных расходов воды гидрологического поста, функционировавшего на Сетуни в 1979-1988 гг. Кроме того, проводились детальные измерения состава взвешенных наносов с определением концентрации и гранулометрического состава взвеси.

Детальный геопространственный анализ территории показал, что 38% площади водосбора реки Сетунь занято водонепроницаемыми покрытиями (асфальт, бетон, кровли зданий и другие урбанизированные поверхности). «Увеличение площади селитебных территорий по сравнению со второй половиной XX века, а также участившиеся зимние оттепели существенным образом изменили структуру годового стока реки. Главным источником питания стали дождевые осадки, которые дают 22-33% объема стока, в то время как доля весенних паводков снизилась до 3,8 — 16,7 %  годового стока», — рассказал один из авторов исследования, зав. лабораторией эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, профессор Сергей Чалов.

Пик многоводности на Сетуни приходится на летний период. Это свидетельствует о серьезных изменениях  гидрологического режима, в котором нарушено  сезонное распределение стока. В естественных условиях в реках средней полосы пик многоводности приходится на весенний период и связан с таянием снежного покрова.

Согласно полученным результатам, водность весеннего половодья по сравнению со второй половиной XX века уменьшилась вдвое, а повторяемость паводков демонстрирует почти десятикратный рост. На Сетуни фиксируется до 29 кратковременных паводков в год при очень быстром отклике водосбора на ливневые осадки.

Один из ключевых выводов исследования касается увеличения переноса взвешенных наносов, или мощности потока наносов. Этот показатель увеличился в 3-4 раза по сравнению с  естественными условиями.

Отдельный раздел исследования посвящён применению моделей машинного обучения для количественной оценки взвешенных наносов, или мутности воды при различном временном разрешении — от 30 минут до 1 суток. В качестве предикторов использовались данные об уровне и расходе воды, атмосферных осадках, температуре воздуха и их производные.

«Мы опробовали 5 разных моделей. Наилучшие результаты показала рекуррентная нейросеть LSTM RNN (Long Short-Term Memory) для прогноза суточных значений мутности воды, которая с минимальной ошибкой определила время наступления и абсолютную величину пиков мутности. Нейросеть LSTM RNN является оптимальным из рассмотренных методов прогнозирования мутности воды и имеет существенные преимущества в задачах, где важные события разделены временными лагами неопределённой продолжительности», — сообщила один из авторов исследования,  инженер Института водных проблем РАН Ирина Денисова.

Результаты мониторинга р. Сетунь имеют важное практическое значение. Изменение гидрологического режима — нарушение сезонного распределения расходов воды, кратное увеличение частоты паводков (до 29 в год), рост стока наносов — ежегодно приводит к наводнениям в долине реки, нанося  ущерб городской инфраструктуре. Полученные данные формируют основу для управления поверхностным стоком, проектирования ливневых сооружений и экологического мониторинга водных объектов Москвы.

Исследование выполнено при 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). Данные мониторинга размещены в открытом доступе в репозитории Mendeley Data.