Применение космических снимков для оценки диффузного загрязнения бассейнов рек на примере притоков Чебоксарского водохранилища.

Одним из наименее изученных гидролого–геохимических процессов на водосборах водных объектов является диффузный (рассеянный) вынос различных загрязняющих веществ (ЗВ), в том числе и биогенных элементов, с потоками воды, стекающих с различных элементов ландшафтов (лесов, сельскохозяйственных угодий, урбанизированных территорий и др.) в периоды весеннего снеготаяния, выпадения сильных и катастрофических дождей, в период межени.
Многочисленными исследованиями, выполненными в Институте водных проблем РАН (ИВП РАН), Государственном гидрологическом институте, Институт географии РАН (ИГ РАН) и в других учреждениях, показано, что несмотря на значительные усилия, предпринимаемые центральными и региональными органами власти по улучшению качества воды водных объектов, оно не происходит. Такое положение объясняется влиянием диффузного загрязнения, поступающего с водосбора, которое в отличие от точечных (сосредоточенных) сбросов не контролируется и не измеряется. В этой связи основное внимание в научной части приоритетного национального Проекта «Оздоровление Волги» уделено оценке влияния диффузного (распределенного) загрязнения от различных источников, расположенных на водосборе, на качество воды. Как результат, планируется разработка Концепции по снижению загрязняющих веществ, поступающих в водные объекты с диффузным стоком. Проект реализуется под руководством ИВП РАН научными организациями страны. Зона ответственности Института географии РАН – бассейн Чебоксарского водохранилища, в частности пилотные водосборы малых рек-притоков водохранилища (р. Линда, р. Кудьма, р. Узола).
В Институте географии РАН разработан и дополнен в процессе реализации Проекта ландшафтно-гидрологический метод (ЛГМ) оценки диффузного стока биогенных веществ с водосбора. В основе метода - эмпирические соотношения и баланс масс. Предполагается, что на участках водосбора, различающихся по характеристикам рельефа, почвенного и растительного покровов, а также особенностям хозяйственной деятельности, формируются различные по объему потоки воды и стока наносов с различной концентрацией взвешенных и растворенных веществ.
Учитывается вынос поверхностным склоновым, подземным и внутрипочвенным водным стоком (стоком верховодки) и стоком наносов с разных природных и природно-антропогенных ландшафтов с учетом пространственной дифференциации почв. Рассматриваются:
-лес на пологих склонах и плакорах;
- сельскохозяйственные угодья (поля с зяблевой пашней и с нераспаханными с осени полями) на пологих склонах и плакорах;
-урбанизированные территории;
-овражно-балочная сеть и поймы;
-водные объекты.
Возможность получения информации о расположении ландшафтов на исследуемых территориях дает применение космических снимков. В частности, для создания информационных слоев типов ландшафтов было использовано дешифрирование спектрозональных космических снимков Sentinel -2 (Copernicus) и космических снимков сверхвысокого разрешения с облачной платформы ArcGis Online.
Космические снимки Sentinel -2 – многозональные снимки с пространственным разрешением 10 м. Предназначены для мониторинга использования земель, растительности, лесных и водных ресурсов. Sentinel -2 систематически покрывает всю поверхность Земли за определенный период, что позволяет получать отличные снимки на одну и ту же территорию, за разные временные периоды. Таким образом, можно анализировать динамику изменения природных территорий, проводить мониторинг изменений ландшафтов в течение года. Спутник снимает полосу с наземной шириной 290 км в тринадцати спектральных каналах, включая 4 канала с разрешением 10 метров, 6 каналов – с разрешением 20 метров и 3 канала – с разрешением 60 м. Помимо этого, снимки находятся в свободном доступе, что позволяет оперативно получать данные на исследуемую территорию (www.scihub.copernicus.eu).
Для дешифрирования ландшафтной структуры притоков Чебоксарского водохранилища использовались каналы 2,3,4,8 с пространственным разрешением 10 м. На территорию трех водосборов притоков (р.Кудьма, р.Линда, р.Узола) потребовалось пять сцен со спутника Sentinel-2B (38ULG, 38UMG, 38VLH, 38VMH, 38VMJ)
Также использовались архивные сверхдетальные космические снимки различных съемочных систем, полученные на базе облачного сервиса ArcGis Online (официальный доступ к сервису имеется в лаборатории картографии ИГ РАН). Использованы снимки с пространственным разрешением 1 м.
Для выделения водосборных бассейнов притоков Чебоксарского водохранилища использовалась цифровая модель рельефа SRTM (Shuttle radar topographic mission) с пространственным разрешением 30 м. С помощью модуля Hydrology в инструментах модуля Spatial Analyst (ArcGis 10) были построены пошагово растровые модели бассейнов рек, впадающих в Чебоксарское водохранилище, определены порядок водотока и другие гидрологические характеристики. Для уточнения цифровой модели рельефа SRTM были использованы архивные снимки платформы ArcGis Online. На основе данных для исследуемых водосборов были созданы следующие тематические слои: реки; озера и пруды; населенные пункты (названия населенных пунктов брались с топографических карт масштаба 1:200 000); основные автомобильные и железные дороги; свалки твердых-бытовых отходов (ТБО).
При перестроении цифровой модели рельефа с учетом водотоков была получена новая модель, которая в дальнейшем использовалась для детального анализа подводосборов – построение локальных подводосборных бассейнов притоков Линды, Кудьмы и Узолы. Цифровая топографическая основа послужила для планирования и проведения полевых работ в 2018-2019 гг., а также стала основой для создания тематических карт.
Для выделения ландшафтной структуры пилотных водосборных бассейнов не достаточно снимков, представленных на платформе ArcGis Online, т.к. там представлена архивная информация, которая на разных участках водосборных бассейнов становится не актуальной, поэтому для выделения ландшафтной структуры использовались спектрозональные космические снимки Sentinel 2B. Для дешифрирования необходимых территорий исследуемых бассейнов рек загружаются сцены Coperncius, которые затем проходят следующие этапы обработки:
• Цветокоррекция каждой сцены;
• Ортотрансформирование (убираются искажения из-за рельефа);
• Провести синтез каналов 321 с пространственным разрешением 10 м.
На следующем этапе необходимо было провести ручное дешифрирование космических снимков и выделить отдельные кластеры, которые относились к различным типам ландшафта. Автоматизированное дешифрирование типов ландшафтов не применялось из-за большого количества «шумов» возникающих при управляемой классификации. Было принято решение оставить только ручное дешифрирования для точного оконтуривания ландшафтов.

Предполагается, что вынос биогенных веществ с преобразованных в результате человеческой деятельности ландшафтов определяется как фоновыми (зональными) характеристиками, так и антропогенным воздействием.
Для субрегионального уровня (площади порядка тысячи – десяти тысяч кв.км) предполагается, что основными диффузными источниками антропогенного воздействия на воду, поступающую с водосборов, является внесение минеральных и органических удобрений и отходы человеческой жизнедеятельности. Поэтому были созданы информационные слои данных о населении и хозяйстве. Очевидно почти десятикратное превышение поступления антропогенно обусловленных биогенных элементов на правобережье водохранилища и преобладающий вклад животноводства в поступление азота и фосфора.
Значительная часть биогенных веществ, поступивших на водосбор от различных источников, не достигает замыкающих створов крупных рек, так как удерживается водосбором и различными звеньями гидрографической сети. Поглощение водосбором потоков биогенных элементов определяется многими факторами, в том числе расчлененностью рельефа, уклонами, наличием западин, аккумулирующих поверхностный сток, карстом, характеристиками почвенно-растительного покрова, распашкой, урбанизацией, агролесомелиорациями. Значительную роль играет трансформация потоков веществ уже в руслах малых рек и в водохранилищах, где происходят процессы осаждения, разложения, поглощения биотой, вторичного загрязнения от донных отложений. В результате итоговая нагрузка на водный объект составляет лишь часть поступления биогенных веществ на водосбор.
По предварительным оценкам более половины минерального азота, сформированного на водосборе, поступает в Чебоксарское водохранилище, причем вклад левого (лесного и слабо освоенного в хозяйственного отношении) и правого (с высокой антропогенной нагрузкой) берегов примерно равноценен. Минеральный фосфор значительно сильнее поглощается водосбором. Большую роль оказывает величина водного стока, которая ниже на правобережье. На водосборе Чебоксарского водохранилища это является благоприятным фактором, сокращающим поступление фосфора в водохранилище с территорий с большой антропогенной нагрузкой.
За счет задержания до водохранилища доходит около 30% потоков минерального фосфора, сформированного на водосборе правобережья Чебоксарского водохранилища. Минерального азота в водохранилище попадает около 50-60% от сформировавшегося на водосборе.
Работа выполнена в рамках государственных заданий 0127-2019-0007 и 0148-2019-0007.