Спутниковое обследование емкости Шардаринского водохранилища (Казахстан) на реке Сырдарья по данным Landsat-8 и Sentinel-2A за 2020-2021 гг.

В 1966 году в Казахстане на реке Сырдарья на границе с Узбекистаном было построено Шардаринское водохранилище. При полном заполнении водохранилище имеет площадь около 800 км2, объем 5,7 км3, из которых 4,2 км3 относится к рабочему объему. Наибольшая глубина резервуара составляет 26 м. В маловодные годы водохранилище может срабатываться ниже «мертвого» объема. На плотине имеется 4 гидротурбины для выработки электроэнергии, однако в настоящий момент водохранилище работает в ирригационном режиме. Заполнение резервуара происходит в холодный период (декабрь-апрель), а срабатывание в теплый (май-август). Максимум запаса воды относится к апрелю-маю, а минимум к августу- сентябрю. Водохранилище обеспечивает ирригацию поливной пашни юга Казахстана.
Мониторинг состояния водохранилища осуществляется двумя государственными структурами Министерства экологии и природных ресурсов Республики Казахстан, это РГП «Казгидромет» и РГП «Казводхоз». Предметом деятельности РГП Казгидромет является ведение мониторинга состояния окружающей среды, метеорологического и гидрологического мониторинга с использованием государственной наблюдательной сети. Основной целью деятельности РГП «Казводхоз» является содержание, эксплуатация и ремонтно-восстановительные работы гидротехнических сооружений и водохранилищ комплексного назначения, магистральных водопроводов и иных водохозяйственных объектов, находящихся на балансе Предприятия.
Таким образом, существует два набора данных по текущим запасам воды в Шардаринском водохранилище. Сезон 2021 года оказался маловодным и водохранилище было сработано значительно ниже мертвого объема. При этом оказалось, что запасы воды, особенно ниже мертвого объема, оцениваются существенно различным образом. Например, на 1 сентября 2021 года РГП «Казгидромет» оценивал запас в водохранилище в 483 млн. м3, против оценки в 706 млн. м3 от РГП «Казводхоз». Для выяснения ситуации и определения оценки какой организации являются более точными были привлечены спутниковые данные.
Данные среднесуточных замеров уровня воды на гидропосте 16910 «Шардаринское водохранилище» и спутниковая съемка LANDSAT-8 (разрешение 30 м) периода сентябрь 2020 – сентябрь 2021 (20 снимков) использовалась для мониторинга площади водного зеркала и построения батиметрии этого резервуара. Объем воды заключенный между смежными по календарным датам зеркалами может быть рассчитан по известным формулам. Обычно используется формула объема усеченной пирамиды с параллельными основаниями. Восстановленная по спутниковым данным динамика изменений объема воды в Шардаринском водохранилище в сезоне 2020-2021 годов сравнивалось с аналогичными данными от РГП «Казгидромет» и РГП «Казводхоз».
Было получено, что в целом, для всего периода мониторинга (сентябрь 2020 – сентябрь 2021) коэффициент корреляции Пирсона со спутниковыми данными был весьма высок и составил R2=0,9975 для данных РГП «Казгидромет» и R2=0,9848 для РГП «Казводхоз». Рассматривая локальный период июль–сентябрь 2021, в котором концентрируются основные различия в оценках запаса воды в Шардаринском вдхр. между РГП «Казгидромет» и РГП «Казводхоз», также были зафиксированы высокие значения коэффициента корреляции Пирсона со спутниковыми оценками, R2= 0,996 (РГП «Казгидромет») и R2= 0,999 (РГП «Казводхоз»). Однако, при этом, уравнения линейной регрессии существенно различались:
[Казгидромет] = 0,9542 [Спутник]+13,468;
[Казводхоз]=1,2769 [Спутник]+208,24;
Уравнение линейной регрессии между спутниковыми оценками и данными РГП «Казгидромет» было близко к идеальному:
[Казгидромет] = 1,0 [Спутник];
Для данных РГП «Казводхоз» уравнение линейной регрессии со спутниковыми оценками имело коэффициент в 1,2769 и свободный член +208,24 млн. м3. Это обстоятельство указывает на то, что более корректными оценками по запасу воды в Шардаринском водохранилище являются данные РГП «Казгидромет», а данные РГП «Казводхоз» имеют существенные искажения (завышение), особенно в области низких значений запасов воды (ниже мертвого объема).
Работа выполнена при поддержке программно-целевого финансирования Министерства образования и науки Республики Казахстан, проект № BR10965172.