Моделирование динамики площадей водных объектов засушливой зоны России
В 2020 г. на юге европейской части России сложилась неблагоприятная ситуация с наполнением водохранилищ: Краснодарского, Цимлянского, а также всех водохранилищ полуострова Крым. В 2021 г. проводились работы по оценке динамики площадей водохранилищ Крыма и водоёмов Западного ильменно-бугрового района дельты Волги. Разработаны уравнения связи площадей и объёмов водохранилищ, которые могут использоваться для оценки водности в условиях недостатки или недоступности данных гидрологических наблюдений.
В работе использовались спутниковые изображения пространственного разрешения 10–30 м, получаемые с космических аппаратов программы Landsat (Landsat-5 TM с 1984 по 2010 г., Landsat-7 ETM+ с 1999 по 2012 г. и Landsat-8 OLI) и Sentinel-2 (2015–2020). Среди различных источников открытых данных спутниковые изображения Landsat имеют достаточно высокое пространственное разрешение (30 м) при максимальном временном охвате. Изображения Sentinel-2 были приведены к разрешению 30 м. Выделение водного зеркала основано на контролируемой классификации многоспектральных спутниковых изображений с включением данных, получаемых в ближнем и коротковолновом инфракрасных диапазонах спектра. В этих диапазонах находятся максимум поглощения водой и максимум отражения растительного покрова, благодаря этому прибрежная растительность достаточно чётко отделяется от водной поверхности. После классификации границы водных объектов проходят экспертную верификацию по спутниковым цветовым RGB-композитам с включением панхроматического канала Landsat, и в случае необходимости границы корректируются вручную (например, в зоне мелководья и свежих осушек). Далее границы полученных полигональных объектов проходят генерализацию для сглаживания их границ, а также устраняются ошибки геометрии. Поскольку площадь водохранилищ связана с их объёмами и уровнями, то возможно их определение через площадь поверхности, определяемой по спутниковым данным, с помощью аппроксимации.
Всего проанализировано около 400 безоблачных изображений Landsat и около 100 — Sentinel-2A, -2B за май – ноябрь 1984–2020 гг. из общего архива примерно в 2900 и 1100 изображений соответственно. Большая часть водохранилищ (22 из 23) охватываются одним изображением Landsat (path/row 177/29), западная часть полуострова также отображается на изображениях path/row 178/29. Только Сокольское водохранилище не попадает на указанные изображения, поэтому оно в данной работе не анализировалось. На основе обработки спутниковых изображений определены максимальные и минимальные площади водного зеркала крымских водохранилищ (таблица 1, рисунок 1). Полученные значения максимальных площадей несколько отличаются от проектных (при НПУ) как в меньшую, так и в большую стороны. Это может свидетельствовать о превышении НПУ в отдельные периоды.
Таблица 2.4.4.1 — Максимальная и минимальная площади водохранилищ Крыма ДЗЗ
|
№
|
Название
|
Площадь по ДЗЗ,
га/% от НПУ
|
Дата наблюдения по ДЗЗ
|
Площадь при НПУ, га
|
|
Максимум
|
Минимум
|
Максимум
|
Минимум
|
|
Естественного стока
|
|
1
|
Альминское
|
83,9/98
|
21,4/25
|
10.05.1997
|
22.08.2012
|
86,0
|
|
2
|
Аянское
|
40,2/96
|
2,1/5
|
10.05.1997
|
22.08.1994
|
42,0
|
|
3
|
Балановское
|
49,8/112
|
11,3/28
|
10.05.1997
|
03.07.2020
|
40,7
|
|
4
|
Бахчисарайское
|
100,1/101
|
12,6/13
|
10.05.1997
|
21.09.2020
|
99,5
|
|
5
|
Белогорское
|
212,3/94
|
52,9/24
|
10.05.1997
|
03.10.1986
|
225,0
|
|
6
|
Загорское
|
161,4/103
|
14,4/9
|
22.09.1997
|
09.10.1994
|
156,0
|
|
7
|
Изобильненское
|
61/100
|
5,1/7
|
10.05.1997
|
09.10.1994
|
61,0
|
|
8
|
Кутузовское
|
10,1/107
|
0,5/5
|
10.05.1997
|
11.09.1984
|
9,4
|
|
9
|
Льговское
|
24,1/87
|
0,4/1
|
26.06.1998
|
03.10.1986
|
27,8
|
|
10
|
Партизанское
|
212,1/96
|
35,2/16
|
22.09.1997
|
23.09.1994
|
220,0
|
|
11
|
Симферопольское
|
309/97
|
58/18
|
10.05.1997
|
09.10.1994
|
317,0
|
|
12
|
Старокрымское
|
41,9/97
|
4,7/11
|
30.08.1997
|
03.10.1986
|
43,0
|
|
13
|
Счастливенское
|
71,5/102
|
7,7/11
|
10.05.1997
|
09.10.1994
|
70,0
|
|
14
|
Тайганское
|
197,4/100
|
13/7
|
10.05.1997
|
09.10.1994
|
196,8
|
|
15
|
Чернореченское
|
588,8/97
|
50,8/8
|
10.05.1997
|
22.08.1994
|
604,0
|
|
Наливные
|
|
16
|
Зеленоярское
|
39,7/78
|
11,2/22
|
14.09.1988
|
21.06.2018
|
51,0
|
|
17
|
Керченское
|
245,6/91
|
110,2/41
|
10.06.1988
|
09.09.2018
|
270,0
|
|
18
|
Межгорное
|
408,4/102
|
15,7/4
|
08.10.1997
|
08.11.2020
|
400,0
|
|
19
|
Самарли
|
128,1/95
|
78,4/58
|
16.07.2001
|
04.05.2018
|
135,0
|
|
20
|
Сокольское
|
–
|
–
|
–
|
–
|
65,0
|
|
21
|
Феодосийское
|
216,3/89
|
107/44
|
03.10.1986
|
16.10.2020
|
242,0
|
|
22
|
Фронтовое
|
635,6/99
|
131,1/20
|
04.10.2001
|
14.09.2020
|
645,0
|
|
23
|
Юзмак
|
172,5/81
|
65,7/31
|
15.09.1997
|
16.10.2020
|
212,0
|
Ввиду низкой доступности данных регулярных гидрологических наблюдений (в частности, наблюдений уровней воды), важную роль в мониторинге водных ресурсов крымских водохранилищ могут играть данные ДЗЗ. Зная связь площадей и объёмов водохранилищ, можно определить объем по актуальным спутниковым изображениям. Для этого необходимо сопоставить известные объёмы водоёмов (рисунок 2) и соответствующие им площади (рисунок 3), а затем аппроксимировать полученные кривые.
Рисунок 1 — Схемы водного зеркала водохранилищ: а — Тайганское; б — Бахчисарайское; в — Альминское; г — Белогорское; д — Загорское; е — Партизанское; ж — Симферопольское; з — Чернореченское; и — Межгорное; к — Феодосийское; л — Фронтовое; м — Юзмак; I — минимальная площадь, II — 08.11.2020, III — 14.09.2020, IV — 12.07.2020, V — 01.05.2020, VI — максимальная площадь)
В таблице 2 представлены уравнения связей объёмов и площадей наиболее крупных водохранилищ Крыма, полученные аппроксимацией экспоненциальным уравнением и полиномом второй степени, а также коэффициенты корреляции при линейной связи. Для Симферопольского водохранилища наиболее тесная связь между площадью и объёмом характерна для линейной зависимости (R = 0,97), для остальных предпочтительней полином второй степени (только у Тайганского для обеих зависимостей R2 практически не отличается). Поскольку в ежегодных отчётах о состоянии и охране окружающей среды Республики Крым приводятся данные по объёмам по кварталам, а площади определялись с разбегом в 1–2 мес, то возможны расхождения в датах наблюдения этих величин, что может вносить погрешность. При наличии точных объёмов на даты спутниковых наблюдений возможно более точное определение уравнений связи площадей и объёмов. Кроме того, из-за накопления наносов в чашах водохранилищ реальные объёмы могли уменьшиться по сравнению с проектными при одних и тех же уровнях.
Рисунок 2 — Динамика объёмов водохранилищ Республики Крым естественного стока (вверху, I — Альминское, II — Бахчисарайское, III — Белогорское, IV — Загорское, V — Партизанское, VI — Симферопольское, VII — Тайганское, VIII — доля объёма от НПУ) и наливных (внизу, I — Межгорное, II — Феодосийское, III — Фронтовое, IV — Юзмак, V — доля объёма от НПУ) в 2015–2019 гг., 1–4 — кварталы
Таким образом, спутниковые наблюдения площадей водохранилищ могут быть дополнением к традиционным наблюдениям уровней на гидрологических постах. На водоёмах без постоянного гидрологического мониторинга анализ площадей по спутниковым изображениям является единственным вариантом непрерывных наблюдений и ретроспективного анализа. Периодичность спутниковой съёмки высокого разрешения, достаточного для идентификации водного зеркала изучаемых водохранилищ, составляет 7–16 дней. Часть изображений будут непригодны для использования из-за облачности, но эту проблему помогут решить данные микроволновой спутниковой радиометрии, для которой облака не являются препятствием. Например, радарные данные Sentinel-1 находятся в открытом доступе и на территорию Крыма обновляются с периодичностью 2–4 дня, охват с апреля 2014 г. Для этого необходимо провести калибровку и разработать подход идентификации водного зеркала в условиях полуострова Крым на основе радарных данных. Разработанные карты водного зеркала могут стать опорной выборкой для обучения алгоритма классификации спутниковых радарных данных. Спутниковые изображения могут обрабатываться автоматически, что позволит проводить мониторинг без участия человека.
Рисунок 3 — Динамика площади и объёмов Симферопольского водохранилища в 2015–2020 гг. (вверху) и связь объёма и площади водохранилища (внизу), I — площадь, II — объём, III — фактические значения площади и объёма, IV — линейная аппроксимация, 1–4 — кварталы
Таблица 2.4.4.2 Связь площадей и объёмов водохранилищ
|
Название
|
R
|
Экспонента
|
Полином
|
|
Уравнение
|
R2
|
Уравнение
|
R2
|
|
Естественного стока
|
|
Альминское
|
0,96
|
0,087e0,0543x
|
0,83
|
0,0004x2 + 0,0857x – 3,5897
|
0,92
|
|
Бахчисарайское
|
0,93
|
0,105e0,046x
|
0,66
|
0,0009x2 – 0,0155x – 0,3315
|
0,62
|
|
Белогорское
|
0,89
|
3,722e0,0091x
|
0,55
|
–2·10–5x2 + 1,1222x – 1,9297
|
0,41
|
|
Загорское
|
0,84
|
8,694e0,0071x
|
0,13
|
0,0018x2 – 0,314x + 31,6010
|
0,33
|
|
Партизанское
|
0,85
|
5,250e0,0094x
|
0,66
|
–0,0009x2 + 0,5251x – 36,259x
|
0,73
|
|
Симферопольское
|
0,97
|
6,814e0,0055x
|
0,73
|
0,0001x2 + 0,0755x + 1,7476
|
0,74
|
|
Тайганское
|
0,90
|
0,826e0,0151x
|
0,56
|
0,0003x2 + 0,001x + 0,9513
|
0,57
|
|
Наливные
|
|
Межгорное
|
0,97
|
1,077e0,0099x
|
0,99
|
0,0002x2 + 0,0057x + 0,998
|
0,98
|
|
Феодосийское
|
0,88
|
2,813e0,007x
|
0,59
|
0,0003x2 – 0,0463x + 7,7057
|
0,70
|
|
Фронтовое
|
0,90
|
0,834e0,0062x
|
0,88
|
0,0001x2 – 0,0172x + 2,6842
|
0,89
|
|
Юзмак
|
0,79
|
1,220e0,0074x
|
0,52
|
0,0002x2 – 0,026x + 2,6083
|
0,85
|
Также проводились исследования динамики площадей водоёмов западных подстепных ильменей (ЗПИ) дельты Волги. На первом этапе были выявлены водоёмы по состоянию на 2020 и 1991 гг., в последнем из которых наблюдалось самое высокое половодье за последние 30–40 лет (рисунок 4). Далее для водоёмов, высохших к 2020 г., были определены годы, в которые они были наполнены в последний раз. Расходы воды в створе Волгоградского гидроузла приведены согласно литературным данным и официальному сайту РусГидро (http://www.rushydro.ru/hydrology/informer). Расходы и уровни воды по гидрологическим постам дельты Волги отсутствуют в свободном доступе, поэтому использовались данные для Волгоградского гидроузла. Безусловно, это снижает точность оценки связи между гидрологическими условиями в дельте и площадями ЗПИ, тем не менее, уровень воды в дельте Волги также связан с расходами через Волжскую ГЭС.
Рисунок 4 — Изменение площадей ильменей в период 1991–2020 гг. (I — последний год наполнения, II — сухие ильмени и солончаки на 1991 г., III — водоёмы, существующие в 2020 г., которых не было в 1991 г., IV — максимальная площадь в половодье 1993–1995 гг., V — гидрологические посты)
Рисунок 2.4.4.5 — Связь площади ЗПИ, среднемесячных расходов половодья (слева) и объёмом стока за период максимальных расходов воды в половодье (справа)
Обводнение ЗПИ зависит от половодья на Волге, причём важны не только показатели максимальных расходов воды, но и длительность периода максимальных расходов, определяющая уровень воды и сток (рисунок 5). Так коэффициент корреляции между площадью водоёмов и средними расходами мая (период максимального сброса через Волжскую ГЭС) ниже, чем со средними расходами всего периода половодья (апрель – июнь). Это связано с большой протяжённостью ЗПИ: запаздывание подъёма воды в центральной части района по сравнению с руслом Волги составляет 1–2 недели (с. Озёрное), а в западной части — 3–4 недели (с. Буруны) в зависимости от уровня воды в Волге перед началом пика половодья. Поэтому краткосрочное повышение расходов в половодье не приводит к обводнению центральной и западной частей ЗПИ.
Тенденции изменения уровней и продолжительности половодья на Нижней Волге последних десятилетий направлены на их снижение. Причинами этого являются как климатические факторы (частые зимние оттепели, недостаточное промерзание почвы, сезонное перераспределение осадков), так и антропогенные (зарегулирование стока, несоблюдение рекомендаций по организации весенних попусков через каскад плотин). Кроме того, на обводнение ЗПИ влияет и падение уровня Каспия. Это не только снижает подпор водотоков дельты Волги, но и способствует их врезанию. В силу этих причин следует ожидать дальнейшей деградации ЗПИ. Спутниковый мониторинг является единственным инструментом оперативных наблюдений и ретроспективного анализа многолетней и сезонной динамики площадей водоёмов ЗПИ, так как гидрологические посты в Западном ильменно-бугровом районе отсутствуют.