 |  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 УДК 504.453+528.854 Опыт применения современных информационных технологий для наблюдения за процессом переформирования берегов Волгоградского водохранилища
Приведены результаты применения ГИС-технологий и спутниковых снимков для мониторинга процесса переформирования берегов Волгоградского водохранилища. Современные технологии были использованы нами для определения отступления береговых бровок в их связи с угрозой утраты территорий прибрежных населённых пунктов; для изучения морфометрических характеристик прибрежных мелководий, процесса отделения заливов от основной акватории водоёма и исследования распределения высшей водной растительности как биоиндикатора процесса размыва берегов водохранилища. Волгоградское водохранилище - одно из крупнейших равнинных русловых водохранилищ мира и России, образовано перекрытием реки Волги сооружениями Волжской ГЭС в 1958 г. Самое протяжённое в системе Волжских водохранилищ оно является завершающим в их каскаде [4]. После наполнения водоёма до нормального проектного уровня (в середине 1961 г.) в долине Волги были созданы благоприятные условия для ветрового волнения и переформирования его береговых склонов. Активное развитие процесса предполагает большой ряд своих проявлений. Уже прямые проявления процесса - отступление береговой линии с утратой территорий, обрушение береговых склонов и наполнение водоприёмной чаши водохранилища продуктами разрушения (заиление и занесение) приводят к резко отрицательным экологическим последствиям. Развитию процесса благоприятствует и геологическое строение берегов. В строении склонов правого берега преобладают плотные полускальные породы (песчаник, опока) устойчивые к действию размыва берегов водохранилища, а в склонах левобережья - менее плотные и более молодые осадочные породы (суглинки, супеси, песок) [4]. Полевые наблюдения за переформированием берегов Волгоградского водохранилища ведутся Волгоградским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с момента наполнения чаши водоёма (1960 г.). Начиная с 1998 г. наблюдения за размывом берегов ежегодно проводятся на базе Волжского гуманитарного института в ходе экспедиций "Волжский плавучий университет". В соответствии с программой работ в ходе проводимых экспедиций изучаются темпы размыва на участках наблюдения за переформированием берегов водоёма (УПБ), проводится исследование естественных пересыпей аккумулятивного генезиса и батиметрическая съемка прибрежных абразионно-аккумулятивных отмелей и акваторий отчленяющихся заливов. Следует отметить, что проведение полевых исследований характеризуется высокой трудоемкостью, имеются ограничения в количестве мониторинговых участков и створов, а так же в частоте и регулярности наблюдений. Наземные формы мониторинга на ограниченном числе участков не могут в достаточно полной мере охарактеризовать развитие процесса для всей береговой линии водохранилища. При наблюдении за переформированием берегов альтернативой полевому методу исследований может стать применение современных информационных технологий: данных дистанционного зондирования Земли и географических информационных систем (геоинформационных систем, ГИС). Последние позволяют осуществлять мониторинг состояния водных ресурсов и прилегающих территорий и представлять его в картографическом виде, сформировать базу для хранения пространственных данных об объекте исследования. Прежде всего, спутниковые данные и ГИС-технологии используются при мониторинге отступления береговых бровок водохранилища. Нами было проведено деление береговой линии Волгоградского водохранилища в ГИС на участки по величине переформирования берегов за 24-х летний период (1986 - 2010 гг.). В качестве исходных данных использованы контур водохранилища 1986 г. и мозаика спутниковых снимков 2010 г. Последняя была составлена в программе ScanEx Image Processor 3.6.8. по спутниковым снимкам Landsat 5-7 за июль 2010 гг. пространственным разрешением 30 м [2]. Мозаика имеет комбинацию каналов 5-4-3, которая оптимальна для исследований отступления берега за такой длительный период времени. Предварительно был сделан сравнительный анализ величины размыва берегов водоёма по всем поперечным створам девяти действующих УПБ (Нижний Балыклей, Новоникольское, Бережновка, Молчановка, Пролейский, Бурты, Нижний Ураков, Пичуга-Южный, Ураков Бугор). Величина размыва была получена по спутниковым данным [2] и в ходе полевых наблюдений [3]. Расхождение полученных значений отступления берегов водохранилища составило от менее 1 м (Профиль № 59 УПБ Молчановка) до 20,5 м (Профиль № 54 УПБ Нижний Балыклей), со средней квадратической ошибкой 5,0 м, что свидетельствует о надёжности применяемого метода. По мозаике спутниковых снимков в ГИС была измерена величина размыва открытой части обоих берегов Волгоградского водохранилища. После этого созданы объекты шести линейных векторных слоёв в соответствии со скоростью отступления берега за 24 года: менее 10 м, 10 - 30 м, 31 - 50 м, 51 - 70 м, 71 - 100 м и более 100 м. По проведенному анализу участок от с. Ахмат до с. Бутковка имеет темп отступления берега менее 10 м/24 года; ниже до Волжской ГЭС на различных участках скорость отступления разнится. Левобережье характеризуется наличием участков со скоростью размыва 71 - 100 м за 24 года (западнее и к югу от пос. Нижний Балыклей и др.) и более 100 м/ 24 года (севернее зал. Сухая Балка, северо-восточнее пос. Рыбный, к западу от с. Новоникольское и др. Районы активного переформирования левобережья расположены в нижней части водохранилища: от пос. Рахинка до с. Новоникольское (71-100 и более 100 м за 24 года), от зал. Балка Шарова до пос. Верхнепогромное (31-50 и 51-70 м), от зал. Песчаный до пос. Нижний Балыклей (51-70 и 71-100 м), от пос. Рыбный до зал. Томатный (31-50, 71-100 и более 100 м). Выделенные нами участки впоследствии станут основой для формирования тематических карт районирования береговой линии Волгоградского водохранилища. Геоинформационные системы находят применение и при составлении батиметрических карт прибрежных мелководий УПБ и акваторий заливов Волгоградского водохранилища. Подобные карты были составлены нами по данным экспедиционных исследований 2013-2015 гг. (промеры глубины с помощью эхолотного комплекса LOWRANCE) в геоинформационной системе ArcGIS 9.3 в модуле Spatial Analist.
На рисунке 1 представлена батиметрическая карта прибрежного мелководья участка Бурты. Ширина абразионно-аккумулятивной отмели составляет здесь 150-160 м. Скорость размыва берега от 10 до 30 м за 24 года. Исследованиями 2014 г. были выявлены формации тростника обыкновенного, образующие сплошные заросли вдоль внутреннего края отмели. Глубина, не превышающая двух метров, распространена на расстояние до 120 м от берега. В настоящее время активно продолжается процесс отчленения устий небольших и средних по размерам заливов Волгоградского водохранилища. Поэтому их изучение с использованием современных информационных технологий не теряет своей актуальности. ГИС-технологии позволяют визуализировать на карте результаты полевых наблюдений процесса. Так в ГИС исследованные заливы были классифицированы по степени отчленённости от основной акватории водохранилища (рис.2).
Выявлено и нанесено на карту четыре типа заливов (2012 г.): 1. Заливы, в которых процесс отчленения от основной акватории водохранилища замедлен (гидравлическая связь на высоком уровне: Камышинский, Нижняя Добринка); 2. Заливы, процесс отчленения которых от акватории водохранилища продолжается наиболее интенсивно (Нижний Балыклей, Жилой, Бутковка); 3. Заливы, процесс отчленения которых находится на завершающей стадии (Каранчев, Другалка, Карагачёв); 4. Заливы, которые уже отчленены от основной акватории водохранилища (Томатный, Бориков, Мостовой, Балка Длинная, Ростовый). В результате, с помощью полученной карты можно судить о состоянии береговой линии заливов водохранилища, а так же оценить степень опасности ситуации в том или ином районе [1]. Однако, как говорилось выше, полевые наблюдения достаточно трудоёмки и имеются ограничения в числе исследуемых заливов. Поэтому в наблюдении за процессом оптимально использование космоснимков. Анализ спутниковых снимков TM (Landsat 5) и ETM+ (Landsat 7) 1986-2010 гг. (пространственное разрешение 30 м), с использованием геоинформационной системы ArcGIS 9.3., показал увеличение количества закрытых заливов за исследуемый период. Так, в 1995 г. отделился от основной акватории залив, расположенный в 4 км южнее убежища Кислово; в 2007 г. было зафиксировано закрытие (образование перемычки) следующих заливов: Большой, овраг Штурменный, Балка Шарова. По космоснимкам высокого пространственного разрешения [7] в геоинформационной системе были рассчитаны площадь, объем и процент отчленненности заливов Волгоградского водохранилища трех категорий (открытые, закрытые и закрывающиеся) обоих берегов от основной акватории водоема. Установлено, что чем меньше средний объем закрытых заливов, тем больше процент их отчленнённости (таблицы 1, 2) [5].
Одним из негативных последствий размыва береговых склонов Волгоградского водохранилища является нанесение прямого ущерба человеку и его хозяйству - утрата территорий, активно используемых экономикой и населением (к 2000 г. в результате отступления берегов водохранилища утрачено 120 км2 территории). К последствиям переформирования берегов водоёма можно отнести изъятие прибрежной полосы акватории водохранилища из зоны экономической деятельности, деградацию прибрежных ландшафтов и ограничение хозяйственной деятельности человека на локальных участках побережья [3].
На сегодняшний день имеется, прежде всего, угроза утраты территорий населённых пунктов левобережья. К западу от п. Нижний Балыклей отступление берега за 24 года составило 71-100 м (рис. 3 а). Размыв берега от 51 до 70 м наблюдается к западу от южной части п. Быково, южной части с. Рахинка, северной части г. Николаевск, п. Кислово. Заметим, что в 10 км к югу от с. Новоникольское и севернее с. Рахинка (рис. 3 б) отступление берега составило более 100 м за 24 года. Полученные данные выявили целесообразность проведения берегоукрепительных работ на локальных участках вблизи населенных пунктов левого берега Волгоградского водохранилища [1]. Значительную роль в функционировании аквальных природных комплексов играет высшая водная растительность (ВВР, макрофиты). ВВР интенсивно развивается в заливах и мелководных зонах водохранилища. На абразионные отмели макрофиты проникают медленно и те характеризуются крайне не значительной степенью зарастания. ВВР может рассматриваться в качестве биоиндикатора стадиальности развития процесса размыва берегов, в его связи с гидрологическим режимом Волгоградского водохранилища. В ходе исследования мы оценили распределение высшей водной растительности в пределах акватории водохранилища с помощью полученного по мозаике спутниковых снимков Landsat 5-7 2010 г. векторного слоя макрофитов [2]. Проведённый анализ показал, что скорость размыва участков берега, вдоль которых распространена высшая водная растительность, составляет в большинстве случаев 10-30 и менее 10 метров за 24 года. Значительную степень зарастания имеют заостровные мелководья, береговые зоны островов в пределах водохранилища (о. Молчановский, о. Бурты и др.), а так же пойменные участки (Красноярско-Черебаевская пойма и др.). На открытых мелководьях сплошные заросли встречаются достаточно редко и их массовое распространение наблюдается на участках: от пос. Приморск до пос. Луговая Пролейка (рис. 4), у пос. Молодёжный (за о. Бурты), у гор. Николаевск, о. Молчановка, о. Пролейский, о. Бурты. Так же поясное зарастание наблюдается на заостровных мелководьях речного, озёрно-речного участков водоёма и реже на озёрном (в 6 км к юго-западу от пос. Рыбный; за о. Молчановка; в 3 км к юго-западу от пос. Политотдельское, в 5 км к северо-востоку от устья р. Еруслан).
Закрепление макрофитов (преимущественно гелофитов), на открытых мелководных участках свидетельствует о достижении гидродинамического равновесия между ветро - волновым воздействием на берега и шириной абразионно-аккумулятивной отмели, что приводит к фактическому прекращению процесса переформирования берега. Высшая водная растительность гелофитной формы может быть использована в качестве косвенного индикатора начальной стадии образования абразионно-аккумулятивных перемычек в устьевой части заливов. При дешифрировании снимков подобным образом были выявлены пересыпи в устьях следующих заливов: Мордовский, Карагачёв, Терновый, Солонечный, Мочаги, Солянка и пр. В результате выполненной работы спутниковые снимки и ГИС-технологии были использованы нами для выявления скорости отступления береговых склонов Волгоградского водохранилища, в их связи с угрозой утраты территорий прибрежных населённых пунктов, изучения морфометрических характеристик прибрежных мелководий УПБ и акваторий заливов, процесса отделения последних от основной акватории водоёма и исследования распределения высшей водной растительности как биоиндикатора процесса размыва берегов водохранилища. Каковы же перспективы использования спутниковых данных и ГИС-технологий для мониторинга процесса переформирования берегов Волгоградского водохранилища? По мнению О.В. Филиппова, А.В. Студеникина и Д.В. Золотарёва [6] необходима дифференциация всей акватории Волгоградского водохранилища в ГИС на зоны по длинам разгона ветровых волн в соответствии с направлением ветра по основным градациям (как правило 8-румбовой шкале). Это позволит выявить минимальные единицы поверхности для присвоения им параметров ветрового воздействия. Кроме того, необходимо разделение берегов водохранилища по показателям литологического состава и основным морфометрическим характеристикам прибрежной отмели (в первую очередь - по ширине и уклону), чтобы была возможность определения воздействия волн на каждую точку береговой линии. Использование разновременных спутниковых снимков поможет проследить динамику процессов отчленения заливов от основной акватории водоёма, отступления бровок и зарастания мелководий макрофитами. Итогом проведённой работы станут тематические карты распределения глубин, зарастания мелководий ВВР и карты районирования береговой линии Волгоградского водохранилища по темпу отступления. Подобные карты помогут принятию организационно-управленческих решений по снижению негативных последствий переформирования береговых склонов для экосистемы водоёма и населения прибрежной территории. Библиографический список
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
