Использование спутниковой информации для оценки вклада водосборов боковых притоков в заиливание Цимлянского водохранилища

Рассматривается опыт применения спутниковой информации для изучения трансформаций Цимлянского водохранилища, крупнейшего на юге России, за современный маловодный период. Основные проблемы водоема заключаются в резком уменьшении запасов водных ресурсов, снижении уровня водоема и осушении мелководий (Курбатова, 2013; Шинкаренко и др., 2021).На этом фоне высокая степень распаханности территории водосборов боковых притоков способствует интенсивному загрязнению, заилению и зарастанию устьевых областей рек (Кочеткова и др., 2018;Кутявина и др., 2020). Суммарный эффект от воздействия этих факторов можно оценить с помощью синергетического подхода к рассмотрению водохранилища как единой геосистемы «водосбор-водоток-приемный водоем». Оптимальная реализация такого подхода выполняется на основе совместного использования спутниковой информации, картографических материалов, ГИС-технологий. Определены следующие этапы:
1. Изучение современной хозяйственной нагрузки на территорию водосбора с использованием космических изображений (КИ) высокого разрешения:
- обновление топографической карты по КИ на дату съемки; создание цифровой модели рельефа и карты углов наклона поверхности водосбора;
- оценка степени развития эрозионных процессов на пахотных землях и выявление зарастающих неиспользуемых пашен; определение приуроченности пахотных земель к участкам с разными уклонами местности; расчет объема выноса почвенных мелкоземов в водохранилище за год с распаханных территорий по данным экспертных оценок.
2. Определение границ распространения выносов наносов и площадей их оседания на акватории водохранилища по КИ в периоды половодья и межени;
3. Определение границ зеркала воды при различных положениях уровня водохранилища и сопоставление их с границей нормального подпорного уровня (НПУ) по КИ и топографической карте. Установление границ зарастания мелководий высшей водной растительностью при наиболее низких положениях уровня водохранилища.
Исследования проводились на примере взаимодействия водосбора р. Цимлы, (площадь которого составляет 1650 км2) и Новоцимлянского залива, образованного подпором водохранилища в нижнем течении реки. Средний годовой объем стока Цимлы составляет 39 млн м3 (Шаврак, 2011), из них до 70 - 90% проходит в весеннее половодье.
В рамках 1 этапа для изучения природных и хозяйственных особенностей территории водосбора было выполнено дешифрирование изображений с ИСЗ Landsat-8 (из архива Google Earth Pro Copernicus, 2020) территории всего водосбора р. Цимлы, в результате которого выделены границы пашен и проведена их дифференциация по степени развития эрозионных процессов. С помощью программы Arc GIS Pro посчитано, что в 2020 г. доля всех пахотных земель составила 92 % от площади водосбора, из них возделываемые пашни с очагами водной и ветровой эрозии 59%, без эрозии 26% и 7% - зарастающие невозделываемые. Практически все распаханные территории водосбора расположены на участках, имеющих уклоны <1о. Распашка земель в бассейне наряду с вырубкой лесов вызвали усиленную линейную эрозию и образование густой сети оврагов. Ежегодно в Цимлянское водохранилище со стоком малых рек смывается около 5 млн. тонн мелкозема (Шаврак, 2011). По данным (Топтыгин, 2018) земли, склоны которых не превышают 1°, характеризуются небольшой потенциальной интенсивностью смыва почвы, до 3 т/га в год. Поскольку на карте все пашни водосбора Цимлы имеют уклон до 1°, а их площадь (без зарастающих) равна 164815 га, было подсчитано, что общий вынос почв может составлять до 495 тыс. т/год, которые поступают в залив и оседают в зоне подпора водохранилища, внося свой вклад в его заиление.
На 2 этапе исследований проведен сравнительный анализ распространения шлейфа выноса наносов при различных уровнях половодья, когда основной объем наносов и диффузных загрязнений с сельскохозяйственных угодий водосбора поступает со стоком реки в водоем. Анализ разновременных изображений с ИСЗ Sentinel-2А (зеленый канал) показал, что за период максимального половодья весной 2018 г (дата съемки 2 июня 2018 г, уровень 35.91 м при НПУ 36 м БС) шлейф наносов распространился по всему заливу и, обогнув Цимлянские пески, вышел на открытую акваторию водохранилища на расстоянии почти 30 км от устья р. Цимла. На снимке четко видна граница столкновения речных мутных масс и более прозрачных вод водохранилища. Во время весеннего половодья маловодного 2020 г. (дата съемки 25 апреля 2020 г., уровень 33,32 м) длина шлейфа наносов едва достигала 10 км. Таким образом, анализ разновременных изображений показал, что пространственно-временная изменчивость шлейфа потока наносов определяется сезонным стоком реки, величиной половодья, а объем выносимых взвесей зависит от распаханности земель и степени развития эрозионных процессов на водосборе.
На 3 этапе по архивным изображениям ИСЗ Sentinel-2А и Sentinel-2В на меженный период 2015-2022 гг. проведена оценка степени обмеления залива при изменении положения уровня. За исходную ситуацию было выбрано картографическое изображение масштаба 1:500 000, на котором базовое положение береговой линии соответствует НПУ водохранилища. Площадь залива при НПУ составляет 37.74 км2.и принята за 100 %. Границы водной поверхности на каждую выбранную дату съемки определялись с помощью водного индекса MNDWI соответствующие значения уровня - по данным Донского Бассейнового водного управления (БВУ) (http://www.donbvu.ru/water_situation/). Площадь зеркала воды рассчитывалась с помощью программы ArcGIS Самому низкому наблюденному уровню 31.5 м (17.08.2015) соответствовала площадь водной поверхности 16.44 км2, что составляет 43.6 % от площади при НПУ. Осушилось 21.3 км2 мелководий. Повышение уровня воды на 2,2 м (до отметки 33.7 м) 21 августа 2016 г. увеличило площадь открытой воды на 6 км2 (до 23.42 км2 или 62,10%), соответственно, затопилось около 7 км2. В таких нестабильных условиях высшая водная растительность эпизодически испытывает стресс. С помощью индекса NDVI в заливе определена доля ее распространения, которая за эти годы менялась от 1.2 до 0.4 км2 и к 2022 г снова увеличилась до 0.9 км2.
В условиях дефицита наземных данных совместное использование современных космических изображений и результатов их преобразований позволяет получить важную и зачастую уникальную, информацию о состоянии водосборов боковых притоков и их влиянии на приемный водоем.
Работа выполнена в рамках государственного задания темы № FMWZ-2022-0002 ИВП РАН Министерства науки и высшего образования РФ