Retrospective analysis of long-term groundwater level fluctuations in Dokuchaev pit.

We analyze long-term and annual groundwater level fluctuations in the Kamennaya Steppe Nature Reserve in Voronezh Region based on monitoring data from the Dokuchaev pit. This pit is a unique groundwater monitoring site with the longest observation period in Russia and Europe, amounting to 130 years. The specific feature of groundwater formation of the Quaternary horizon, which captures the pit is that the annual and multi-year regime of groundwater levels is determined by the dynamics of infiltration water exchange between groundwater and the surface. The analysis is based on an extensive factual record, including long-term series of hydrogeological observations and meteorological database. A set of methods and approaches was used: statistical methods, correlation analysis, SURFBAL water balance calculations, etc. Cross-correlation analysis of water levels in the pit and other observation wells on the Quaternary horizon revealed that the Dokuchaev pit is a representative observation point to assess the patterns of fluctuations in groundwater levels in the Kamennaya Steppe. Based on the analysis of time series it was found that the observed dynamics of water level in the pit follows the course of the main regime-forming factors — precipitation and potential evapotranspiration, determining the excess or deficit of moisture for infiltration in a multi-year framework. Extreme decrease of water level in the pit to its partial drying in 2020–2022, observed during last 15 years, relates to dynamics of these factors. Based on model studies, it is shown that there is a gradual transformation of annual regime of fluctuations of water level in the pit in the late 20th and early 21st century compared with the mid-20th century due to changes in conditions of spring-winter absorption of moisture from the surface of the earth and the formation of infiltration feeding. However, it is not as significant as, for example, the transformation of river hydrographs in the Don basin.

1. Барабанов А.Т., Панов В.И. Преобразование гидрологического режима агроландшафтов защитными лесными насаждениями // Живые и биокосные системы. 2016. № 16. URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-16/article-6

2. Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Александрова Т.М. Описание массива данных суточной температуры воздуха и количества осадков на метеорологических станциях России и бывшего СССР (TTTR) Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014620942. URL: http://meteo.ru/data/162-temperatureprecipitation#описание-массива-данных

3. Воронежский государственный природный биосферный заповедник имени В.М. Пескова. [Электронный ресурс]. URL: https://zapovednik-vrn.ru/ [дата обращения: 10.10.2021]

4. Гриневский С.О., Поздняков С.П. Принципы региональной оценки инфильтрационного питания подземных вод на основе геогидрологических моделей // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 5. С. 543–557.

5. Зборищук Ю.Н., Турусов В.И. Микроэлементы в почвах каменной степи: Монография. Воронеж: Истоки, 2019. 94 с.

6. Киреева М.Б., Илич В.П., Фролова Н.Л. и др. Вклад климатических и антропогенных факторов в формирование маловодного периода в бассейне р. Дон 2007–2015 гг. // Геориск. 2017. № 4. С. 10–21.

7. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2013. № 1. С. 60–76.

8. Корабельников Н.А., Устименко Ю.А., Зинюков Ю.М. и др. Комплексная оценка гидрогеологических, инженерно-геологических и эколого-геологических условий как основа оптимизации мониторинга геологической среды территории федерального полигона «Каменная степь». Вып. 57. Воронеж: Изд-во Научно-исследовательского института геологии, 2009.

9. Рыбальский Н., Муравьёва Е. 25 лет заказнику «Каменная Степь» («Докучаевскому оазису») // Природа России. Национальный портал. 2021. URL: http://www. priroda.ru/reviews/detail.php?ID=12949 (дата обращения: 25.10.2021)

10. Трегуб А.И. Неотектоника территории Воронежского кристаллического массива // Тр. науч.-исслед. ин-та геологии Воронеж. гос. ун-та. 2002. Вып. 9. 220 с.

11. Турусов В.И., Титова Т.В., Чевердин Ю.И. и др. Каменная степь — колыбель разноплановых исследований (прошлое, настоящее и будущее) (обзор) // Итоги и перспективы развития агропромышленного комплекса: Мат-лы Междунар. науч.-прак. конф. / Сост. Н.А. Щербакова, А.П. Селиверстова. Соленое Займище: ФГБНУ «ПНИИАЗ», 2018. С. 254–259.

12. Харченко Н.Н., Харченко Н.А., Ахтырцев А.Б. Мелиоративная роль дубрав Центральной лесостепи // Лесотехн. журн. 2014. Т. 4, № 1(13). С. 40–47.

13. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Почвы Каменной Степи от времени В.В. Докучаева до наших дней // Живые и биокосные системы. 2016. № 16. URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-16/article-2

14. Чевердин Ю.И., Ахтямов А.Г., Сауткина М.Ю. Влияние режима уровня грунтовых вод на биопродуктивность древесных пород в лесных полосах Каменной Степи // Живые и биокосные системы. 2018. № 24.

15. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995, 368 с.

16. Mu Q.Z., Zhao M., Running S.W. Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm // Remote Sensing of Environment. 2011. Vol. 115, Issue 8. P. 1781–1800.

17. Pandas Documentation [Электронный ресурс]. URL: https://pandas.pydata.org/docs/user_guide/index.html#user-guide

18. Pyton Statsmodel [Электронный ресурс]. URL: https://www.statsmodels.org/dev/generated/statsmodels.tsa. seasonal.seasonal_decompose.html

19. Shuttleworth W.J., Wallace J.S. Evaporation from sparse crops‐an energy combination theory // Quarterly J. Royal Meteor. Soc. 1985. № 111(469). 839–855.

20. Thomas F.M. Vertical rooting patterns of mature Quercus trees growing on different soil types in northern Germany // Plant Ecology. 2000. № 147. Р. 95–103.

21. Yuan Y. et al. Examination of the Quantitative Relationship between Vegetation Canopy Height and LAI // Adv. Meteorol. 2013. Р. 1–6.