Использование данных дистанционного зондирования в целях мониторинга озерных экосистем юга Тюменской области

Озера - важный (а зачастую единственный) источник водных и биологических ресурсов, который довольно широко используются человеком. При этом можно рассматривать состояние озера как показатель протекающих в нем и в округе процессов, на которые влияют как действия человека, так и климат.
Отследить изменчивость озерных экосистем позволяют повторяющиеся наблюдения. В силу ряда причин (как экономического, так и географического характера) возможность проводить постоянный мониторинг состояния озерных экосистем не представляется возможным. Из-за этого на первый план в целях изучения и мониторинга выходит использование данных дистанционного зондирования Земли. Космические снимки обеспечивают исследователя данными с необходимыми пространственными, спектральными и временными свойствами, а также позволяют получать информацию как на большие по площади, так и на труднодоступные участки.
Сладковский район, выбранный в качестве полигона исследования, расположен на юге Ишимской лесостепи Западно-Сибирской равнины на юго-востоке Тюменской области. Его площадь равна 4023 км2. По данным сайта Сладковского муниципального района (http://admtyumen.ru/ogv_ru/index.htm) на территории района находится 108 озер, общая площадь которых 248 км2. Самое крупное озеро из них – Таволжан, его площадь составляет 71км2.
Для изучения изменений озер выбранного района основным материалом послужили снимки со спутника Landsat, скачанные с сайта геологической службы США (https://earthexplorer.usgs.gov/). В связи с сезонными колебаниями уровня озер оптимально выбирать снимки, приходящиеся на конец лета. Но в силу ряда причин (отсутствие снимков на этот сезон, высокая облачность, малое покрытие территории района снимком) были выбраны следующие снимки: Landsat MSS (05.06.1976 г.), Landsat-7 (09.09.2002 г.) и Landsat L8 OLI/TIRS (23.09.2016 г.).
Первичная обработка снимков и автоматическое дешифрирование посредством классификации с обучением проводились в геоинформационной системе QGIS с помощью модуля Semi – automatic classification plugin (SCP). После этого также в QGIS проводился подсчет площади озер.
Для анализа величины площади водной поверхности озер использовалась классификация, предложенная П.В. Ивановым (Иванов, 1948).
По данным на июнь 1976 года на территории Сладковского района было 273 озера общей площадью 221,44 км2. На основании классификации Иванова среди них преобладают ≪озерки≫ (с площадями 0,01−0,1 км2) — 44,69%, также можно выделить группу ≪очень малых≫ (с площадями 0,1−1,0 км2) озер — 37,73%. Кроме этого, необходимо отметить, что на изучаемой территории существуют озера, не попадающие в данную классификацию, т. е. площадь водного зеркала у них меньше 0,01 км2. Их площади колеблются от 0,0046 до 0,009 км2; таких озер насчитывается всего 6, что составляет 2,2% от общего числа озер; их суммарная площадь — 0,04 км2, что составляет 0,02% от общей площади водного зеркала. Озерность территории равна 5,5%.
На сентябрь 2002 года на территории Сладковского района по данным космической съемки было 659 озер общей площадью 165,1 км2. Среди них со значительным перевесом преобладают озера, не вошедшие в классификацию Иванова (с площадью водного зеркала меньше 0,01 км2). Таких насчитывается 422, что составляет 64,04% от общего числа озер; правда их суммарная площадь всего 1,81 км2, что составляет 1,1% от общей площади водного зеркала. На «озерки» и «очень малые» озера приходится 18,81% и 13,2% от общего числа озер. По площади преобладают «средние» озера; на них приходится 78,14 км2 или 47,33% от общей площади водного зеркала. Озерность территории равна 4,1%.
Анализ полученных данных с космического снимка за сентябрь 2016 года показывает, что среди всех озер Сладковского района преобладают так же, как и в 2002 году озера, не вошедшие в классификацию Иванова, то есть озера с площадью менее 0,01 км2. Таких озер насчитывается 647 или 58,98% от общего числа; их суммарная площадь равна 2,81 км2, что составляет 1,18% от общей площади водного зеркала. На долю таких групп как «озерки» и «очень малые» озера приходится 316 и 102 озера соответственно. Это 28,81% и 9,3% от общего числа озер и 8,25 км2 и 41,17 км2 от общей площади водного зеркала соответственно. Обращает на себя внимание то, что на долю 4 «средних» озер (что составляет 0,36% от всего числа озер) приходится 120,66 км2 или 50,79% от площади водного зеркала всех озер. Озерность территории равна 5,9%.
Данные показывают, что с 1976 по 2002 года общая площадь озер уменьшилась на 46,34 км2, а к 2016 году по сравнению с 2002 годом произошло резкое увеличение на 72,47 км2. Кроме этого, значительно увеличилось количество озер площадью менее 0,01 км2 (6, 422 и 647 озер соответственно). Такое малое количество озер этой группы в 1976 году объясняется тем, что пространственное разрешение системы MSS (80 м) не позволяет оценить количество и площадь самых мелких озер на необходимом уровне. Но тем не менее оно достаточно для получения примерной общей картины о состоянии озерных систем на период съемки.
Практически на одном уровне как по количеству, так и по площади водного зеркала осталась группа «очень малых» озер. За исследуемый период произошло значительное увеличение площади «средних» озер: 83,17 км2 в 1976 г., 78,14 км2 в 2002 и 120,66 км2 в 2016 г. Также к 2016 году увеличилась средняя площадь зеркала «средних» озер при уменьшении или стабильности остальных групп и уменьшилась средняя площадь озера (с 0,811 до 0,217 км2), если учитывать озера полностью, а не по группам. Уменьшение последнего параметра объясняется значительным (почти в 5 раз с 1976 по 2016 гг.) увеличением общего числа озер, при небольшом (в 1,07 раза) увеличении общей площади водного зеркала. Аналогично площади озер изменился и коэффициент озерности Сладковского района. В 1976 г. он составил 5,5%, к 2002 г. уменьшился до 4,1% и к 2016 г. вырос до 5,9%.
Питание озер исследуемой территории происходит преимущественно за счёт атмосферных осадков, поэтому климатические условия оказывают значительное влияние на уровень воды в озёрах и, соответственно, на размер водного зеркала. По данным с сайта (http://thermograph.ru/) были составлены графики годового количества осадков на гг. Курган, Петропавловск и Омск (данные метеостанции были выбраны по причине отсутствия данных на Сладковскую метеостанцию).
Кривая скользящих шестилетних значений годовых сумм осадков показывает четко различимые колебания. Выделяется маловодная фаза с 1975 по 1987 гг. относительная стабильность с 1987 по 1993 гг., кратковременное увеличение с 1994 по 1998 гг., резкое уменьшение с 1999 по 2001 гг. и столь же резкое увеличение с 2002 года.
Большая по сравнению с данными за 2002 год площадь озер в 1976 году объясняется значением суммарного количества осадков до 1976 года выше среднего по станциям. При этом то, что судя по графику скользящих значений суммарное количество осадков ниже среднего значения начинается с 1974-1975 года, показывает, что количество осадков отражается как на площади озера, так и на его уровне не в этот же сезон, а через 1-2 года. Такой же вывод можно найти в следующих работах (Кравцова, 2011, Пшеничников, 2004). И, конечно же, такое значение площади озер объясняется тем, что снимок отображает ситуацию на начало июня – после весеннего половодья уровень озер еще не пришел в норму.
Длительная 12-летняя маловодная фаза привела к резкому уменьшению общей площади озер. Возможно к этому привело и зарастание озер, для чего необходимо дополнительное исследование с целью анализа изменений площади зарастания. 6-летний относительно стабильный период и кратковременное увеличение количества осадков с 1994 по 1998 гг. не смогли наполнить озерные котловины до уровня 1976 года. И, хотя количество «малых» и не вошедших в классификацию Иванова (что объясняется лучшим пространственным разрешением снимка, позволившим распознать водоемы такого размера) озер на 2002 год больше, чем в 1976 году, это не помогло исправить ситуацию с общей площадью озер. Короткий маловодный и сменивший его многоводный периоды привели к тому, что произошло как резкое увеличение общего количества озер (особенно озер площадью менее 0,01 км2), так и увеличение суммарной площади по всем классам озер.
Конечно, для полноценного и разностороннего анализа произошедших изменений нужен учет многих факторов (температура воздуха, испарение с поверхности водоема, влагообеспеченность территории, водный баланс водоема), но и по уже полученным данным можно проводить достоверное исследование.
Сравнение разновременных космических снимков, полученных в 1970-х – 2000-х гг., выполненное на территорию Сладковского района Тюменской области, показало следующее.
1. За 40 лет произошло значительное увеличение общего количества озер при одновременном небольшом увеличении общей площади водного зеркала.
2. Количество осадков оказывает сильное влияние на изменение площадей исследуемых озер.
3. В силу разного пространственного разрешения сравниваемых космических снимков (80 м для 1976 г., и 30 м для 2002 и 2016 гг.) желательна проверка полученных результатов по материалам лучшего разрешения.
4. Для более детального рассмотрения процесса динамики озер данного района нужны дополнительные измерения площади озер по космическим снимкам других лет (1980-е и 1990-е гг.).
5. С целью изучения влияния на величину площади озера других факторов необходим учет среднегодовой температуры воздуха, которая может косвенно указывать на величину испарения с поверхности озер.
6. Также интересным представляется в изучении динамики озер возможный учет гидротермического коэффициента Селянинова, который используется для оценки влагообеспеченности территории (Селянинов, 1937).
7. Помимо анализа изменений площади водного зеркала озер в целях полного и наиболее достоверного изучения процессов, протекающих в озерных экосистемах, необходим анализ изменений площади участков озер, подверженных зарастанию.