Спутниковый мониторинг процессов фильтрации через дамбу Коксарайского контр-регулятора на реке Сырдарья

Разрушение земляной дамбы Сардобинского водохранилища, с объемом 0,95 км3 (Узбекистан) в бассейне р. Сырдарья 1 мая 2020 года и последовавшее за этим катастрофическое наводнение нижерасположенных территорий, относящихся к Узбекистану и Казахстану, подняло вопрос о состояния земляных дамб других крупных водных объектов. На территории Казахстана таким объектом является Коксарайский конр-регулятор с объемом 3 км3, запущенный в работу в 2011 году.
Потребность в создании такого резервуара возникла после распада СССР и была вызвана изменением режима работы Токтогульского водохранилища с объемом 19,5 км3 (Кыргызстан). В период СССР водохранилище работало в ирригационном режиме и имело пик водосброса в летний период, что использовалось для водообеспечения поливной пашни Узбекистана и юга Казахстана. После 1993 года Киргизстан был вынужден перевести его работу на энергетический режим для выработки гидроэлектроэнергии в период естественного сезонного маловодья рек со снегово-ледовым питанием. Это привело к повышенным попускам воды из Токтогульского вдхр., в зимний период, в среднем с 3-4 км3 до 9 км3. Как результат возникла угроза стабильности работы нижерасположенного Шардаринского вдхр. (Казахстан), с рабочим объемом 4,2 км3. Частые зимние паводки на территории Казахстана по реке Сырдарья, с периодическим подтоплением, даже крупных населенных пунктов, например областного центра г. Кызылорда, вынудило правительство Казахстана построить ниже Шардаринского вдхр. еще один резервуар для перехвата зимних паводков.
Наиболее экономичным оказался вариант контр-регулятора на правом берегу р. Сырдарьи с использованием естественного понижения рельефа на участке автодороги Баиркум-Арысь в 146 км от Шардаринского водохранилища, недалеко от села Коксарай. Коксарайский контр-регулятор не является водохранилищем длительного размещения воды. Основной его задачей является накопление избыточных зимних повышенных расходов воды в реке Сырдарья в течение 3-4 месяцев с последующей подачей ее для ирригации поливной пашни Махтааральского района в Казахстане. В период с 2008-2010 гг. такой объект был построен. Было возведено около 44 км земляных дамб (высота плотины более 7 метров), которые были вписаны в существующий естественный склон, что позволило создать чашу резервуара с объемом около 3 км3 и проектной площадью в 460 км2.
Земляные дамбы характеризуются рядом особенностей. Во-первых, существование водного зеркала поднимает уровень грунтовых вод. Во-вторых, через тело дамбы проходит фильтрация воды. Также, возможна просадка дамбы и потеря ее устойчивости вплоть до разрушения, что произошло на Сардобинском водохранилище. За земляной дамбой возможно накопление фильтрационных вод, иногда может быть настолько значительным, что приводит к формированию водных зеркал. Активность процессов фильтрации всегда находится под наблюдением гидрологической службы, поскольку является важным параметром, характеризующим стабильность дамбы.
По маршруту земляной дамбы Коксарайского контр-регулятора имеется место естественного понижения, где грунтовым и фильтрационным водам наиболее просто выйти на поверхность земли. В период полного заполнения чаши резервуара эти воды формируют здесь небольшой сток в ближайшее локальное понижение, где возникает дренажное водное зеркало, с площадью до 3,5 км2. Такой размер озера дает возможность осуществлять спутниковый мониторинг за его динамикой на основе снимков LANDSAT-5,7,8 (разрешение 30 м) и Sentinel-2A (разрешение 20 м). Аридный, малооблачный климат юга Казахстана позволяет иметь достаточное количество безоблачных спутниковых покрытий для контроля над сезонными вариациями размера дренажного водоема по данным каналов в оптической части спектра.
Мониторинг динамики размеров дренажного озера Коксарайского вдхр. важен для контроля над стабильностью его земляных дамб. Увеличение объема фильтрационных вод (рост площади водного зеркала) безусловно, негативный признак, требующий дополнительного внимания. Водное зеркало Коксарайского вдхр. впервые появилось весной 2010 г. Штатная работа резервуара началась с 2011 г. Сезонное заполнение, обычно начинается зимой, в декабре-феврале. В мае - начале июня регистрируется сезонный максимум запаса воды. В течение июня-августа водохранилище практически полностью срабатывается. Коксарайское вдхр. начинает заполняться с центра чаши, затем вода доходит до земляной дамбы. Появление подпорного уровня воды у дамбы формирует фильтрационные воды, что приводит к образованию водного зеркала дренажного озера. При отсутствии притока воды, это озеро довольно быстро исчезает за счет испарения и фильтрации воды. Таким образом, дренажное озеро существует пока есть подпорный уровень воды у дамбы. Обычно, в течение сезона озеро существует 4-5 месяцев, с конца февраля до середины июля.
Спутниковая съемка LANDSAT-5,7,8 в период 2009-2020 гг. (203 покрытия) использовалась для мониторинга размера дренажного озера Коксарайского контр-регулятора. Были получены оценки 10 сезонных максимумов размеров дренажного озера. В период начиная с 2011 года регистрировался постепенный его рост. Многолетний максимум наблюдался в 2017 году, когда его размер составил около 3,5 км2. В последующие три года 2018-2020 сезонный максимум оставался стабильным. Многолетняя (2011-2020 гг.) динамика сезонного максимума дренажного озера Коксарайского вдхр. указывает на элементы нестабильности земляной дамбы резервуара. Интенсивность фильтрационных и дренажных процессов в месте максимальных нагрузок на дамбу не имеет многолетней стабильности.
Работы финансируются в рамках целевой программы BR05336383 Аэрокосмического комитета Министерства цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан.