Картографирование водной растительности на основе данных дистанционного зондирования в целях оценки фильтрации тяжелых металлов в дельте реки Селенги

Река Селенга обладает самой обширной пресноводной дельтой в мире, которая служит геохимическим барьером для множества загрязнителей, поступающих с твердым стоком (Chalov et al, 2016). Расчет количества тяжелых металлов, которые могут быть аккумулированы в водной растительности, позволяет оценить часть вклада водных растений в общую фильтрующую функцию дельты. Обширность и труднодоступный характер дельты реки Селенги делают дистанционные методы исследований одними из наиболее перспективных.
Водные растения, в первую очередь погруженные в воду, являются сложным объектом для дешифрирования и дальнейшего картографирования, и требуют особого подхода (Schmidt et al, 2004, Underwood et al, 2005). На основе полевых данных спектрометрирования было установлено, что погруженные в воду виды, представленные в дельте, хорошо отличаются от прибрежной растительности и растений с плавающими листьями по спектральному образу, но между собой исследуемые виды подводных растений практически идентичны. Лимитирующими факторами уверенного дешифрирования погруженной растительности являются: менее 70% проективного покрытия, глубина погружения более 15 см, мутность воды более 20 мг/л. Одновременно по полевым и литературным данным (Азовский, Чепинога, 2007) было установлено, что погруженные виды в Байкале произрастают преимущественно до глубин 2 м, часто с проективным покрытием менее 70%. Это позволяет сделать вывод о том, что по дистанционным данным невозможно идентифицировать все площади, занятые погруженными видами, и соответственно, рассчитать реальную величину фитомассы водных растений в дельте.
В работе предложена методика оценки площади погруженных в воду видов на основе дешифрирования космических снимков и дополнительной информации о гидрологических условиях в дельте. Было проведено сравнение нескольких съемочных систем и алгоритмов классификации, с целью выделения наиболее оптимальных данных для картографирования растительных сообществ в дельте. Наилучшие результаты были достигнуты либо с помощью снимков очень высокого разрешения (SPOT6/NAOMI), либо с помощью снимков с повышенным спектральным разрешением (Sentinel-2/MSI). При дешифрировании снимка Sentinel-2/MSI использовалась не только информация спектральных каналов, но также в анализ были включены производные индексные изображения, которые позволили значительно повысить достоверность классификации. Полученная схема дешифрирования была дополнена информацией о режимах мутности воды в дельте. Данные о режимах мутности воды были получены путем анализа серии из 82 снимков Landsat, преобразованных в значения мутности воды.
Погруженные в воду виды напрямую зависят от гидролого-геоморфологических условий в водоемах и могут произрастать только при относительно невысоких скоростях течений, мутности воды и глубине погружения (Садчиков, Кудряшев, 2005). На основе этого была выдвинута гипотеза, что участки с постоянно высокой мутностью воды в пределах дельты, а также области авандельты с глубинами более 2 м являются наименее вероятными для произрастания подводных видов. В свою очередь участки с периодически мутной водой и постоянно чистые акватории, имеющие глубины менее 2 м, являются более вероятными местами произрастания погруженных видов. Эта информация нашла отражение на карте растительных сообществ дельты реки Селенги.
Карта была использована для оценки фильтрующей функции водной растительности дельты. Оценка количества тяжелых металлов в водной растительности основывается на данных о средней концентрации тяжелых металлов в конкретном виде растения, фитомассе и площади, занятой этим классом растительности.
Предложенная методика позволила изучить часть проблемы аккумуляции загрязняющих веществ в дельте. Согласно проведенной оценке, в водной растительности дельты в конце вегетативного периода может накапливаться от 0,1% (Cr) до 19,5% (Co) от количества тяжелых металлов, которые в целом накапливаются в дельте за этот период. Оценка величины накопления металлов в той растительности, которая может быть распознана по снимкам и той, что вероятно присутствует в дельте, отличается в несколько раз. Почти для всех металлов цифра аккумуляции в распознанной растительности меньше 1%, в то время как вовлечение в анализ площади с высоко вероятными местообитаниями подводной растительности повышает цифру возможной аккумуляции в 5-10 раз, а вовлечение вероятных местообитаний повышает долю аккумуляции еще вдвое. Это доказывает, что очень важно учитывать не только ту водную растительность в дельте, что хорошо различима по снимкам, но и ту, что скрыта при дешифрировании. На основании проделанной работы было выдвинуто несколько гипотез о том, какие еще исследования необходимо провести для того, чтобы полноценно оценить фильтрующую функцию водной растительности дельты.
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ 15-05-05515 «Речные наносы: формирование, пространственно-временная изменчивость, гидрологические и экологические функции»