Мониторинг состояния пересохшего ложа Каховского водохранилища в 2023–2024 гг.

В 2023 г. повреждение плотины Каховской гидроэлектростанции (ГЭС) на реке Днепр в ночь с 5 на 6 июня привело к резкому снижению уровня водохранилища и затоплению значительных площадей в пойме в его нижнем бьефе, в том числе более 2 тыс. га земель населённых пунктов. Площадь водохранилища, расположенного в Запорожской и Херсонской областях, уже к 20-м числам июня сократилась более чем в два раза от проектной величины в 215 тыс. га при нормальном подпорном уровне, к концу июля составляла около 15 тыс. га. В сентябре 2023 г. дно Каховского водохранилища практически полностью обнажилось, под водой осталась только гидрографическая сеть по состоянию, имевшему место на период до заполнения его чаши (рисунок 1).

В числе возможных последствий спуска водоема прогнозировались загрязнение и эвтрофикация вод Днепро-Бугского лимана из-за попадания большого количества пресной воды, минеральных и органических веществ из Каховского водохранилища, осушение ложа водохранилища и угроза выноса загрязняющих веществ, накопленных в донных отложениях, а также огромный ущерб популяциям гидробионтов как водохранилища, так и нижнего течения Днепра. Тем не менее, уже во второй половине лета на обсыхающем ложе Каховского водохранилища отмечались процессы зарастания растительностью, например, тростником, рогозом, осоками, марью, схеноплектусом и другими травянистыми растениями, а также кустарниковой ивой.

Рисунок 1 — Спутниковые изображения северной части ложа Каховского водохранилища (синтез NIR-Red-Green): а — 23.06.2023; б — 23.09.2023; в — 01.04.2024; г — 15.07.2024

Весной 2024 г. отмечено увеличение площади водной поверхности в ложе водохранилища, что может свидетельствовать о возвращении территории к пойменному режиму. Тем не менее, ряд исследователей считает, что основной причиной выхода воды на пойму на бывшем дне водохранилища является не только повышенный сброс воды каскадом ГЭС выше по течению реки Днепр, но и подпор, который создают остатки плотины Каховской ГЭС. В 2024 г. продолжилось восстановление растительности на дне обсыхающего ложа Каховского водохранилища, что создаёт предпосылки для закрепления донных отложений и фиксации в них загрязняющих веществ, в том числе радионуклидов стронция и цезия.

Цель исследования заключается в оценке процессов зарастания растительностью обсыхающего ложа Каховского водохранилища в 2023 и 2024 гг. по спутниковым данным после разрушения плотины ГЭС.

Исследование основывается на данных информационного продукта HLS с пространственным разрешением 30 м. Указанные спутниковые изображения проходят процедуры коррекции атмосферных искажений, радиометрической калибровки и нормализации для приведения к значениям коэффициентов спектральной яркости, получаемым по данным спутников Landsat. Данные разбиваются на тайлы, принятые для хранения изображений, получаемых системой Sentinel-2. В работе использовались два тайла T36TXT и T36TWT, которые покрывают более 95 % проектной площади Каховского водохранилища (выше по течению створа пос. Змиевка-Васильевка). На основе данных HLS были рассчитаны индексы NDWI (англ. Normalized Difference Water Index) для картографирования водной поверхности и NDVI (англ. Normalized Difference Vegetation Index) для анализа состояния растительности. К водной поверхности относились пикселы с положительными значениями NDWI. Остальная территория разделялась по градациям индекса NDVI: значениям менее 0,2 соответствуют участки открытых грунтов и очень редкой растительности, в том числе нефотосинтезирующей. Пороговое значение NDVI 0,2 для выделения лишённых растительности участков достаточно широко используется в исследованиях ландшафтов. Более высокие значения NDVI, соответствующие вегетирующей фитомассе, были разбиты на четыре диапазона значений индекса для выделения территорий с разной степенью развития растительности: <0,2; 0,2–0,4; 0,4–0,6; 0,6–0,8; 0,8–1,0 (рисунок 2).

Рисунок 2 — Динамика площади водной поверхности и территорий с различными значениями NDVI на дне ложа Каховского водохранилища в 2023 (а) и 2024 гг. (б)

Также анализировалась высота растительности по данным информационного продукта ATL08, основанного на результатах лазерного сканирования прибором ATLAS, установленным на спутнике ICESat-2 и предоставляющим данные трассовых измерений высоты растительного покрова в полосах 100×14 м. Указанные данные могут быть представлены в виде сегментов шириной 14 и длиной 20 метров, способных обеспечить достаточно высокую пространственную детальность измерений высоты. Использовалась максимальная высота (98%-й перцентиль) в каждом сегменте сканирования 14×20 м. Расположение сегментов ATL08 в период максимального развития растительности в июле и августе 2024 г. показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Максимальная площадь водной поверхности в 2024 г (а): I — постоянные водоемы, II — максимальная площадь водной поверхности, III — границы водохранилища до разрушения плотины Каховской ГЭС, IV — высоты по данным ATL08 в июле и августе 2024 г., м; Максимальные значения NDVI в 2024 г. (б): I — постоянные водоемы, II — NDVI

После спуска Каховского водохранилища его обсыхающее ложе начало достаточно стремительно зарастать растительностью. Доля площади занятой открытыми грунтами (NDVI<0,2) снизилась с 80% на начало июля до 22% к концу октября 2023 г. В течение вегетационного сезона 2024 г. после схода пойменных вод площадь дна водохранилища с NDVI менее 0,2 держалась на уровне 10–12% (рисунок 2). При анализе максимальных значений NDVI за 2024 г. выявлено, что только 4% площади дна водохранилища могли быть отнесены к открытым грунтам, значительная часть которых представлена пляжами и высохшими лиманами, которые не затапливались весной (рисунок 3). Таким образом, на большей части обсыхающего ложа Каховского водохранилища отмечаются восстановительные сукцессии растительности, что существенно снижает угрозу развития дефляционных процессов и выноса ветром донных отложений. Пылевые облака, которые фиксировались в районе водохранилища в конце сентября и начале октября 2024 г., не связаны с выносом материала с его дна, а вызваны пыльными бурями в Ростовской и Волгоградской областях, Республике Калмыкия и Ставропольском крае.

В апреле и мае 2024 г. наблюдались повышенные уровни воды, сопровождавшиеся частичным затоплением поверхности ложа водохранилища. Наибольшая площадь водной поверхности была зафиксирована 25 марта 2024 г., её величина составила около 52 тыс. га или четверть от проектной площади при нормальном подпорном уровне. В течении Днепра ниже плотины Каховской ГЭС не зафиксировано столь существенного увеличения уровней и выхода воды на пойму, что может быть связано с большой ролью подпора сохранившейся дамбы при прохождении половодья через дно бывшего водохранилища. В летне-осеннюю межень 2023 и 2024 гг. площадь русла, рукавов и озер на дне бывшего водохранилища не превышала 8–10 тыс. га или менее 5% проектной площади.

В 2024 г. существенно увеличились площади растительности с NDVI более 0,6, что соответствует достаточно обильной фитомассе. В 2023 г. доля дна водохранилища с такими значениями NDVI не превышала 30 % в середине октября, в то время как в 2024 г. в первой половине сентября половина площади характеризовалась значениями NDVI более 0,6. Такие высокие значения NDVI характерны для высокостебельной околоводной растительности, в том числе многолетних видов: рогоза, тростника, осок и др. Анализ распределения высот растительности по сегментам ATL08 подтверждает это (рисунок 4). Летом 2024 г. существенно выросла доля растительности с высотой более 2–3 м, что характерно для тростниковых сообществ, либо зарослей быстрорастущих кустарниковых видов ивы, подроста тополя и ивы белой.

Рисунок 4 — Распределение сегментов ATL08 в границах Каховского водохранилища по максимальной высоте в 2023–2024 гг.

Дно Каховского водохранилища обнажилось впервые после постройки Каховской ГЭС, теперь здесь возможен пойменный режим с периодическими заливаниями при половодьях. При этом в верхнем бьефе бывшего водохранилища за счёт подпора дамбой Каховской ГЭС площади затоплений значительно больше, чем в нижнем. В 2024 г. не более 10–12% площади обсыхающего ложа водохранилища характеризовались значениями NDVI менее 0,2, что соответствует открытым почвам и грунтам, а также очень редкой или нефотосинтезирующей растительности. К началу осени 2024 г. половина площади дна водохранилища была занята территориями с NDVI более 0,6, что соответствует околоводной высокопродуктивной растительности, например, сообществам тростника и рогоза. По данным спутниковых лидарных измерений более половины всех сегментов сканирования, которые пришлись на территорию обсыхающего дна водохранилища, зафиксировали максимальную высоту растительности более 2–3 м, что характерно для тростников, быстрорастущих видов кустарниковых ив, подроста ивы белой или тополя. Таким образом, бурное развитие растительности на дне обсыхающего ложа Каховского водохранилища может препятствовать развитию процессов дефляции и выноса ветром его донных отложений.