Оценка влияния разработок полезных ископаемых на мутность воды по спутниковым данным

Аннотация. Россыпная добыча полезных ископаемых на Дальнем Востоке России негативно влияет на состояние речных систем, увеличивая поступление взвеси в реки, что снижает их биоразнообразие и ухудшает качество воды. Методы традиционного (наземного) мониторинга мутности воды имеют ряд ограничений, связанных с методикой наблюдений на сети гидрологических постов, их редким расположением и невозможностью адекватной оценки пространственного распределения мутности. В связи с этим актуальным становится использование методов дистанционного зондирования Земли (ДДЗ), которые предоставляют возможность оперативного мониторинга мутности на обширных территориях.

Введение
История освоения Дальнего Востока России неразрывно связана с добычей полезных ископаемых, ключевую роль в которой играли их россыпные месторождения . Россыпная добыча золота в регионе, начавшаяся еще в XVIII веке, во многом определила развитие Дальнего Востока и служила стимулом к его исследованиям. До начала XXI века россыпи были основным источником золота в России, но затем их доля в общем объеме золотодобычи уменьшилась из-за открытия новых крупных коренных месторождений. Тем не менее, в последние годы наблюдается тенденция к восстановлению объемов россыпной золотодобычи. Помимо золота, россыпи также являются источником других стратегически важных ресурсов, таких как олово и алмазы. При их отработке, осуществляющейся как на поверхности, так и подземным путем, формируются крупные отвалы грунта, которые могут оказывать значительное влияние на окружающую среду и местный ландшафт.
Традиционные методы мониторинга мутности воды, основанные на стационарных наблюдениях, обладают рядом ограничений. Прежде всего, сеть гидрологических постов не всегда охватывает все участки рек, подверженные воздействию разработок. Кроме того, точечные измерения не позволяют оценить пространственное распределение мутности и выявить очаги загрязнения. В связи с этим возрастает актуальность применения методов дистанционного зондирования Земли (ДДЗ), которые открывают новые возможности для оперативного мониторинга мутности воды на обширных территориях.
Использование данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) предоставляет возможности для оперативного мониторинга мутности воды. Преимущества этого метода включают более широкий охват по сравнению с наземными станциями наблюдений за мутностью воды на обширной территории России, возможность проведения как точечной, так и линейной оценки мутности, а также возможность проводить пространственно-временной анализ изменения мутности. Также, дискретность спутниковых снимков выше доступных данных наземных наблюдений, Ограничивающие факторы применения ДДЗ включают ограниченность алгоритмов фильтрации облачности, необходимость применения алгоритмов атмосферной коррекции и необходимость ручного контроля за отбором данных.
Целью данного исследования является оценка влияния разработок полезных ископаемых на мутность воды рек Дальнего Востока России по данным дистанционного зондирования.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являются реки Дальнего Востока России, затронутые разработками полезных ископаемых. Предметом исследования выступает мутность воды как показатель антропогенного воздействия на речные системы.В исследовании использовались данные Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) и снимки со спутников Landsat-8 и Sentinel-2, обработанные на платформе Google Earth Engine (GEE). Для анализа гидрологических постов были выбраны 74 поста, соответствующие критериям ширины водного объекта и наличия необходимых данных. Среднедекадные и среднесуточные значения мутности, расхода взвешенных наносов и расходов воды были извлечены из АИС ГМВО и обработаны с помощью языка программирования Python для получения рядов соответствующих характеристик.
Для работы с ДДЗ использовались алгоритмы на языке программирования JavaScript, включая маскирование облаков и получение временных рядов коэффициента отражения в 4 (красном) канале для каждой точки анализа. Атмосферная коррекция снимков проводилась с помощью алгоритмов CFMask для Landsat - 8 и s2cor для Sentinel - 2.
Результаты и обсуждение
В работе был осуществлен анализ взаимосвязи стационарных наблюдений за мутностью воды и данными дистанционного зондирования (ДДЗ). Для выявления эпизодов повышения мутности.были проанализированы 74 гидрологических поста, Критериальный подход, основанный на соотношении декадной мутности к средней за период наблюдений, позволил выделить экстремумы значений мутности. Графики, иллюстрирующие количество таких эпизодов, показывают, что в районах с большой площадью, затронутой разработками, наблюдаются наибольшие выбросы мутности.
Для проверки влияния россыпных месторождений на мутность рек были построены графики связи среднедекадных значений мутности и среднедекадных расходов воды. Однако четкой взаимосвязи между этими показателями обнаружено не было. Это связано с тем, что мутность зависит не только от расхода воды, но и от множества других факторов, включая качество данных и местные особенности водотока.
Дальнейшая гипотеза заключалась в возможности оценки количества шлейфов мутности в затронутых водотоках через массированную обработку данных, полученных из фоновых и затронутых водотоков. Для достижения этой цели использовались снимки с двух спутниковых систем, Landsat-8 и Sentinel-2. В процессе работы возникли определенные проблемы автоматизированного сбора данных ДДЗ. Одной из них стала необходимость визуального контроля качества спутниковых снимков. Даже после автоматической фильтрации облаков, некоторые дефекты, такие как дымка и тень от облаков, значительно влияли на получаемые значения. В связи с этим было принято решение сосредоточиться на 3 наиболее репрезентативных участках. В результате, после ручного контроля качества из 490 снимков осталось только 175.
Применение индекса NDTI для оценки мутности воды показало свою применимость для выделения оптической мутности на отдельных снимках, получаемые с его помощью временные ряды значений мутности становились случайными из-за особенностей реакции индекса на низкую мутность воды, специфику местности и условия формирования подстилающей поверхности, что сделало его непригодным для дальнейшего использования.
Детальный анализ снимков для отобранных участков добычи позволил выявить эпизоды повышения мутности, их связь с изменениями площадей нарушенных территорий и объемом выпадающих осадков позволило определить причины роста мутности воды (естественный смыв, увеличение мутности при вскрыше, аварийные сбросы). Использование для анализа фоновых точек на незатронутых водотоках подтвердило значительную трансформацию временных изменений мутности при прохождении реки через отвалы разработок.
Выводы
В исследовании были выявлены проблемы автоматизированного сбора данных ДЗЗ, включая необходимость визуального контроля качества снимков и ограничения индекса NDTI для оценки мутности воды. Анализ 74 гидрологических постов показал наличие экстремальных значений мутности в районах с большой площадью, затронутой разработками. Однако, связь между среднедекадными значениями мутности и расходов воды оказалась неоднозначной из-за влияния дополнительных факторов. Предложенный полуавтоматический метод мониторинга показал хорошие результаты, доказал зависимость мутности воды от площади разработок, однако необходимы дальнейшие усилия по улучшению методов обработки и интерпретации данных ДЗЗ для более точной оценки воздействия горнодобывающей деятельности на экологическое состояние водотоков.
Благодарности
Автор выражает благодарность Школьному Даниле Игоревичу, Магрицкому Дмитрию Владимировичу и Прокофьевой Кристине Николаевне за консультации и поддержку.