Спутниковый мониторинг трансформации Новоцимлянского залива
за последнее десятилетие

Основные проблемы Цимлянского водохранилища, крупнейшего на юге России, заключаются в критическом снижении уровня воды в современный маловодный период, постоянном заилении на протяжении 70 лет существования и увеличении отметок дна его ложа, что привело к резкому уменьшению его водозапасов, повышению средней температуры воды, осушению и зарастанию мелководий [Никаноров, Хоружая, 2014; Курбатова, 2012; Шинкаренко и др., 2021]. Переформирование берегов водохранилища происходит за счет волновой абразии, обвальных, осыпных, эрозионных процессов в динамичной зоне разнонаправленного перемещения уреза воды и переноса наносов вдольбереговыми течениями [Беркович, 2012]. Изучение этих процессов является актуальной и сложной задачей в условиях дефицита регулярных наземных и гидрологических наблюдений.
Основной целью спутникового мониторинга береговых зон является комплексный контроль за их многолетней трансформацией при значительных диапазонах колебания уровня водохранилища в результате его внутригодовой сработки или наполнения с учетом современных климатических изменений.
В данной работе рассматривается динамика устьевых зон правых боковых притоков водохранилища - рек Цимла и Россошь и сформировавшегося в их нижнем течении крупнейшего Новоцимлянского залива после создания водохранилища.
Синтез современных космических изображений и архивных топографических карт изучаемого региона на базе геоинформационных систем позволил оценить изменение площади акватории водных объектов за разные периоды времени (месяцы, годы, десятилетия). В исследовании использованы: цифровая топографическая карта Европейской части России в масштабе 1:200 000; спутниковые снимки, полученные с ИСЗ Sentinel-2 и Landsat-8-9 за 2015-2023 гг.; данные Донского БВУ по уровню Цимлянского водохранилища; данные радиолокационной топографической съемки местности SRTM (Shuttle Radar Topography Mission); ГИС программы QGIS и ArcMap. В последние годы расширение информационной базы мониторинга происходит за счет новых методов обработки мультиспектральных изображений с помощью пакета расчетных индексов.
На начальном этапе был проведен анализ 20 спутниковых изображений и данных Донского БВУ об уровне водохранилища на каждую дату съемки. Полученный график изменений уровня показал, что в 2015 и 2020 гг. уровень снижался до минимальных отметок 31,2-31,7 , близких к уровню мертвого объема (УМО=31,0 м), а в 2018 и 2023 г. поднимался до значений нормального проектного уровня (НПУ = 36,0 м) с отметками 35,8-35.9 м. Из всего множества снимков выбраны те, которые отображают минимальные, максимальные и промежуточные значения уровней.
На следующем этапе с помощью расчетных индексов MNDWI (Modified Normalized Difference Water Index), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и NDTI (Normalised Difference Turbidity Index) получена информация о положениях уреза воды, размерах площади зарастании прибрежной зоны высшей водной растительностью (ВВР) и зонах распространения мутности на акватории залива при разных значениях уровня водохранилища.
На заключительном этапе определялись площади водного зеркала залива, его зарастания и области мутьевых выносов. В качестве исходной была принята площадь залива при НПУ, зафиксированном на топографической карте 2005 г., равная 134 км2. При отметке уровня 31,3 м (10.12.2015) площадь залива сократилась на 41% до 79 км2, при максимально высоких отметках 35,9 м (02.06.2018) и 35,8 (14.05.2023) площадь изменялась всего на 2-4%. Область распространения ВВР за 2015-2017 гг. увеличивалась с 1,1 до 1,5 км2, а к 2022 г сократилась до 0,9 – 0,4 км2, что подтверждает инерционность растительности при смене многолетнего уровенного режима водохранилища [Кочеткова и др., 2018; Кутявина и др., .2020]. Максимальная площадь зоны распространения мутьевых взвесей, поступающих в залив с водосборов рек Цимла и Россошь в высокое половодье (02.06.2018 г) может достигать 70 км2, в низкие половодья (07.04.2020 г.) около 10 км2.
Для данного района водохранилища такие исследования выполнены впервые. Результаты обработки спутниковых данных позволили определить пространственно-временные характеристики Новоцимлянского залива при полном диапазоне изменений уровня водохранилища от УМО до НПУ в указанный период.
Работа выполнена в рамках государственного задания темы № FMWZ-2022-0002 ИВП РАН Министерства науки и высшего образования РФ.