Мониторинг катастрофических гидрологических событий на основе разновременных данных дистанционного зондирования Земли

Разрушение плотины Каховской ГЭС произошло в ночь с 5 на 6 июня 2023 г., что привело к резкому подъему уровня воды в ее нижнем бьефе и падению уровня в Каховском водохранилище выше плотины, что ставит под угрозу не только соответствие водоема проектным характеристикам, но и его дальнейшее существование. Каховское водохранилище — самое нижнее по течению из всего каскада днепровских водохранилищ, введено в эксплуатацию в 1956 г. Расположено в Запорожской и Херсонской областях. При нормальном подпорном уровне (НПУ) 16 м площадь водоема составляет около 215 тыс. га (протяженность 230 км, ширина до 25-30 км), а объем превышает 18 км3. Горизонт мертвого объема (УМО, полной сработки водохранилища) имеет отметку 12,7 м. Из Каховского водохранилища осуществлялась подача воды в ряд каналов: Северо-Крымский, Каховский и Днепр – Кривой Рог. Водоем имеет высокую водохозяйственную и гидроэнергетическую ценность, а также играет большую роль в воспроизводстве рыбных ресурсов. Донные отложения водохранилища содержат высокие концентрации различных загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов и радиоактивных элементов, поэтому обнажение дна водоема и его высыхание могут привести к их переносу. Одной из экологических проблем Каховского водохранилища также является высокая степень эвтрофикации, которая приводит к бурному размножению сине-зеленых водорослей в условиях летнего нагрева практически стоячей воды. Таким образом, разрушение плотины Каховской ГЭС привело к деградации важнейшего водоема с точки зрения экономики, экологической безопасности и устойчивого развития нескольких регионов.

Данные дистанционного зондирования Земли из космоса достаточно широко применяются для оценки последствий различных чрезвычайных ситуаций, связанных с повреждениями гидротехнических сооружений, засухами, которые приводят к падению уровней воды в водохранилищах или наводнениями. Уровень Каховского водохранилища по данным сервиса Theia упал с 17,2 м на 04.06.2023 г. до 11,9 м на 09.06.2023 г., что значительно ниже УМО, в результате чего обнажилось дно водоема (рисунок 1). Площадь водоема от г. Запорожье до плотины Каховской ГЭС на 02.06.2023 г. по данным Landsat составила 209,1 тыс. га, на 18.06.2023 г. водоем уменьшился практически вдвое до 109,9 тыс. га. Осушение дна водохранилища на такой значительной площади — исключительная ситуация, последствия которой еще предстоит оценить.

Подобные относительные уменьшения площади водного зеркала водохранилищ отмечались только в 2018-2020 г., когда в Крыму из-за засухи и прекращения поступления днепровской воды через Северо-Крымский канал площадь отдельных водоемов уменьшилась в десять и более раз. Самое крупное водохранилище Крыма — Фронтовое имеет проектную площадь всего 645 га, поэтому масштабы осушений дна несопоставимы с Каховским водохранилищем. В 2020 г. площадь Цимлянского водохранилища на р. Дон сократилась почти на 70 тыс. га или четверть от проектной, но отметки УМО все же не были достигнуты.

Риcунок 1 — Спутниковые изображения Landsat Каховского водохранилища до (а, 02.06.2023 г.) и после разрушения плотины Каховской ГЭС (б, 18.06.2023 г.), схема изменения водного зеркала по данным MODIS (в) и Landsat (г, I — населенные пункты, II — 18.06.2023 г., III — 02.06.2023 г.)

 
Рисунок 2 — Спутниковые изображения Landsat в районе Херсона (а — 01.06.2023 г., б — 09.06.2023 г., увеличенные фрагменты панхроматического изображения на эти же даты: в, г — г. Алёшки, д, е — южная часть Херсона; красный контур — положение фрагментов в-е, жёлтый контур — границы населенных пунктов)

Согласно карте типов земного покрова ESA WorldCover затопленными и подтопленными на 09.06.2023 г. оказалось примерно 670 га искусственных поверхностей, к которым могут быть отнесены здания, дороги, теплицы и другие объекты застройки. Почти 350 га из них расположены в городах Херсон и Алёшки. Также затоплены оказались около 390 га пахотных земель, 800 га лесов, 4,5 тыс. га лугов и 26 тыс. га водно-болотных угодий. Сопоставление границ населенных пунктов по данным Open Street Map (https://www.openstreetmap.org/) с маской водного зеркала на 09.06.2023 г. позволило выделить 24 затронутых наводнением населенных пункта, около 11% площади которых оказались затопленными (примерно 2 тыс. га). Наиболее пострадали населенные пункты Голая Пристань, Алёшки и Белогрудово, площадь затопления в которых составила от 25 до 61%. Также было затоплено около 9% площади г. Херсон. Лес, здания и высокостебельная растительность водно-болотных угодий зачастую не полностью покрываются водой, из-за чего маскируют водное зеркало. По этой причине площадь затопленных и подтопленных зданий и лесов может быть значительно больше, что подтверждается рисунком 2.

Данные дистанционного зондирования Земли могут применяться не только для оценки изменений площади водоемов, но и для мониторинга состояния осушек и переходных экосистем «вода-суша», а также сукцессионных изменений на высохшем дне (рисунок 3). Это открывает уникальные возможности дальнейшей оценки последствий падения уровня воды и высыхания дна Каховского водохранилища, что является очень важной задачей, поскольку в нашей стране подобные равнинные водохранилища занимают значительные площади. В рамках данного исследования формируется набор спутниковых данных для последующего долговременного мониторинга состояния осушенной чаши Каховского водохранилища.

Рисунок 3 — Спутниковые изображения Landsat Каховского водохранилища 5 августа (а) и 30 сентября 2023 г. (б)

К концу сентября 2023 г. площадь водной поверхности в границах Каховского водохранилища составила всего 20,8 тыс. га, что в десять раз меньше величины на начало июня. Интерес представляют сукцессионные процессы на осушенном дне водоема, поскольку считается, что осушение равнинных водохранилищ неизбежно приведет к возникновению пыльных бурь и выносу донных отложений. После 5 августа отмечается процесс зарастания бывшего дня водохранилища (рисунок 4). При этом площадь участков с NDVI<0,2 (открытая почва и очень редкая растительность) снизилась с 57,2% на начало августа до 21% на конец сентября. Кроме этого, отмечается рост площадей, занятых высокопродуктивной растительностью. На 30 сентября 24,1% площади занят участками с NDVI>0,6. Таким образом, есть предпосылки для зарастания осушенного дна Каховского водохранилища, что позволит избежать ветровой эрозии. В дальнейшем кроме процессов зарастания интерес будут представлять гидрологические изменения, русловые деформации и различные геоморфологические процессы. Дно Каховского водохранилища обнажилось впервые после постройки Каховской ГЭС, теперь здесь возможен пойменный режим с периодическими заливаниями при половодьях, претерпевают изменения гидравлические связи поверхностных вод Днепра и грунтовых вод окружающих ландшафтов.

В результате разрушения плотины Каховской ГЭС площадь затопления и подтопления в нижнем бьефе составила не менее 36 тыс. га, в том числе около 2 тыс. га земель населенных пунктов и 670 га застройки и хозяйственных объектов. Наиболее сильно затронуты населенные пункты Белогрудово, Алёшкино, Голая Пристань и город Херсон. На спутниковых изображениях Днепра по данным Landsat ниже плотины Каховской ГЭС 17-18 июня 2023 г. площадь затопления снизилась вследствие падения уровня воды, более точная оценка затруднена из-за облачности. Площадь Каховского водохранилища на 20.06.2023 г. уменьшилась почти в два раза — с 209,1 тыс. га до 109,9 тыс. га. На 30 сентября площадь водной поверхности в границах водохранилища сократилась до 20,8 тыс. га, река Днепр фактически вернулась в естественное русло.

 Рисунок 4 — Распределение площади чаши Каховского водохранилища после разрушения плотины ГЭС по значениям NDVI