Использование технологии космических гидропостов при построении краткосрочных прогнозов водности равнинных рек

При решении задачи контроля водности трансграничных рек являются особенности политических границ стран, через которые они протекают. Установка наземных гидрометрических пунктов для регулярного мониторинга водохозяйственной обстановки накладывает определенные сложности, такие как, выбор места расположения на реках, сама процедура установки, стоимость оборудования при организации таких пунктов, а также обслуживание гидрометрических станций. Эти факторы зачастую не позволяют разместить необходимое количество речных гидропостов с необходимым оборудованием в нужной местности. В такой ситуации данные дистанционного зондирования (ДЗЗ) могут восполнить наземные измерения в виду отсутствия регулярных непрерывных временных рядов. Современные системы спутникового мониторинга предоставляют данные различного временного (Sentinel-2A, -2B до 5 дней) и пространственного разрешения (Sentinel-2A, -2B до 10 м), а совокупность данных таких систем позволяет увеличивать временное разрешение и формировать ряды безоблачных наблюдений для заданной местности.
Базовым рабочим инструментом при организации мониторинга за выбранными участками рек являются виртуальные полигоны, или космические гидропосты - КГП (Мухамеджанов и др., 2022). КГП используются для получения временных рядов площади водного зеркала (ПВЗ) в по индексу MNDWI (Xu, 2006) по безоблачным спутниковым данным после применения алгоритма фильтрации (Константинова, 2022) в пределах полигонов. По результатам ранее проведенных экспериментов (Мухамеджанов и др., 2022), эмпирически было определена корелляционная зависимость нормированных показателей ПВЗ и объемов суточного стока. В качестве альтернативной гипотезы было выбрано предложение "Величины объема суточного речного стока и площади водной поверхности коррелируют". Такой подход позволяет использовать результаты наблюдений, сформированных по спутниковых снимкам по оптическим данным космических аппаратов Landsat-7, 8, Sentinel-2A, B, в подходах и решениях, использующих временные ряды наземных измерений как основной источник данных. В настоящей работе показано применение технологии космических гидропостов (КГП) к построению краткосрочных прогнозов водности на равнинных реках. Гидрологические прогнозы являются одним из важнейших аспектов исследования межсезонной и межгодовой динамики русел рек (Мухамеджанов, 2024), краткосрочными же называют не превыщающие по заблаговременности 10-15 суток (Попов, 1979). Поскольку в гидрологических методах, взятых за основу в исследовании, для построения временных рядов используются объемы суточных стоков (Q), в большинстве шагов методики Q заменяется на S.
В качестве экспериментального участка в работе было выбрано русло реки Амударьи около назменого гидропоста г. Керки (Атамырат, Туркменистан). Для этого было выбрано 24 “створа” реки, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (неравномерно). На каждом их таких створов было сформировано автоматически по 9 полигонов согласно заданным правилам (разные углы по отношению к векторам частичных стоков, протяженность вдоль реки и в ширину от береговой линии). Такая сеть КГП (Мухамеджанов и др., 2022) позволяет исследовать устойчивость получаемых результатов и показателей в межгодовом аспекте при изменяющейся морфологии русла на Амударье. Кроме того, сеть КГП позволяет определить время добегания (Бефани, Калинин, 1965) паводочной волны между двумя соседними створами с помощью метода соответственных уровней (Попов, 1968). Поскольку время добегания может изменяться в в периоды межени и половодья, кривая ПВЗ разделяется на несколько участков, условно отражающих разные фазы уровневого режима. Полученные величины служат основной для оценки того, насколько расположение и геометрические параметры КГП влияют на время добегания паводочной волны. Кроме того, максимальное, среднее и минимальное время добегания служат основой для построения и уточнения профиля соответствующей кривой, т.е. плотности распределения времени добегания.
Результаты, представленные в работе, получены с использованием развиваемого в ИКИ РАН сервиса спутникового мониторинга EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru). Функционирование сервиса осуществляется с использованием ресурсов Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг" (http://ckp.geosmis.ru/) (Loupian et al., 2022), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8). В дальнейшем в рамках доработки модуля по выпуску краткосрочных прогнозов водности рек запланирована масштабируемость предложенного подхода и проверка применимости к других рекам центральноазитского региона, а также интеграция такого функционала как инструемнта системы EcoSatMS.