Применение материалов дистанционного зондирования Земли в мониторинге водных объектов Республики Калмыкия

В настоящее время особенно острой и актуальной для Республики Калмыкия является проблема водообеспечения населения и сельского хозяйства. Всего в республике – 314 водных объектов, из которых 256 искусственно созданные водоемы (135 водохранилищ и 121 пруд), остальные 58, не имеющие антропогенного вмешательства, – природного происхождения (15 озер и 43 малые реки) (Новикова, Уланова, 2008). Большинство водных объектов Калмыкии существует на привлеченном стоке (более 0,7 км3/год) с сопредельных территорий из рек Волги, Кумы, Терека, получая питание через систему обводнительно-оросительных каналов, для питьевого водоснабжения населения, животноводства, ирригации. Водное хозяйство республики практически полностью обеспечивается из источников, расположенных за ее пределами.
Отсутствие гидрологических постов и, соответственно, данных режимных наблюдений почти на всех изучаемых водоемах явилось причиной недостаточной изученности водных объектов и расхождений в гидрометрических величинах в различных источниках.
Для решения задач рационального водопользования необходимы большие объемы информации гидрологического, гидрохимического и гидробиологического характера. Получение такой информации требует привлечения современных научных методов разных направлений. Значительная часть такой информации генерируется путем инструментального наблюдения за водными объектами, за природными и антропогенными факторами воздействия на них, а также путем последующей обработки данных. В Калмыкии мониторинг водных объектов ведется Институтом комплексных исследований аридных территорий с 2001 г. Он включает получение в весенние и осенние периоды года количественных значений нескольких показателей: гидрологических (уровень и площадь водоема), гидрохимических (минерализация, тип химизма), экологических – функционирование экотонной системы «вода-суша» на побережье (значения глубины грунтовых вод в каждом блоке; величины засоления – для почв и грунтовых вод; количество видов растений и их продуктивность – для фитоценозов). В рамках многолетнего мониторинга создан детализированный банк геоданных, включающий на основе применения ГИС-технологий информацию, полученную с помощью наземных полевых исследований и в ходе лабораторной обработки отобранных проб, анализа материалов космической съемки. Созданная База данных была положена в основу разработки стандартного экологического паспорта водного объекта как новой формы целевого мониторинга, контролирующего и оценивающего состояние и использование водных и биологических ресурсов конкретного водоема и зоны его воздействия на побережье. Такие паспорта составлены для водных объектов Кумо-Манычской впадины в пределах Республики Калмыкия (Уланова, 2014) и активно используются.
Объектами мониторинга являются природные и искусственные водоемы наиболее значимые в водном хозяйстве республики. В 2023 году были исследованы 12 ключевых водохранилищ, расположенных в разных ландшафтных условиях: вдхр. Аршань-Зельмень, вдхр. Суварган, вдхр. Нугра, вдхр. Улан-Эргэ – в условиях южной подзоны степной зоны на восточном склоне возвышенности Ергени; вдхр. Цаган-Нур – в условиях южной подзоны степной зоны на Прикаспийской низменности; вдхр. Чограйское – в условиях южной подзоны степной зоны в Кумо-Манычской впадине, в условиях северной подзоны пустынной зоны на Прикаспийской низменности – вдхр. Деед-Хулсун, вдхр. Канурка; в условиях северной подзоны пустынной зоны в Кумо-Манычской впадине – вдхр. Хар-Эргэ и Состинские водоемы, в условиях ильменного понижения дельты Волги – Красинское вдхр. Мониторинг водохранилищ проводился в рамках гранта РНФ № 23-27-10017 «Геоэкологическая оценка водоемов Республики Калмыкии и прилегающих к ним территорий» и согласно государственному заданию БНУ РК «ИКИАТ».
Мониторинг гидрологических параметров, а именно площади водного зеркала водоемов, был выполнен с использованием космических снимков высокого разрешения с ИСЗ «Landsat-8» камера OLI/TIRS в программах MultiSpek 3.2 и MapInfoPro2019. Для дешифрирования положения границы береговой линии водных объектов использовались комбинации каналов 4–3–2, 4–5–3, 7– 6–5, 5–4–3 (Landsat 8). Обобщенные требования к информации дистанционного зондирования Земли, используемой при решении гидрологических задач, включает: предпочтительные спектральные диапазоны: 0,6; 0,3-0,9 мкм, 10-12 мкм; пространственное разрешение не менее 30-60 м, масштаб снимка 1:100000,1:25000 (Гарбук, Гершензон, 1997).
Полевые исследования водоемов проводились в мае и сентябре 2023 г. Исследования выполнялись согласно созданной и апробированной ранее нами методики комплексного изучения искусственных водоемов и экотонных зон «вода-суша» для аридных территорий (Уланова, 2010). Данная методика сочетает наземные исследования с геоинформационными технологиями. ГИС-системы в настоящее время стали важным инструментом для хранения, обработки и использования разнообразной и сложной накапливаемой информации. Наземные исследования включали мониторинг поверхностных вод водоемов и изучение прилегающих к ним территорий, находящихся в зоне воздействия водохранилищ, называемых экотонными зонами «вода-суша» (Залетаев, 1997). Исследования включали заложение топоэкологических профилей от уреза воды и до зональной растительности, произрастающей на коренном берегу, на ключевых участках, расположенных в разных частях водохранилища. В пределах каждого блока отбирались грунтовые воды на минерализацию, отмечалась их глубина залегания, отбирались почвенные пробы, выполнялось стандартное геоботаническое описание и отбор растительных укосов на биологическую продуктивность. Всего за время весенних и осенних экспедиций 2023 года было отобрано120 проб поверхностных и грунтовых вод, выполнено 157 геоботанических описаний, отобрано 139 растительных укосов на биологическую продуктивность. Пробы воды отбирались на разных участках водохранилищ, как правило, в центральной части, вблизи выклинивания подпора и в приплотинной части. Маршрутные и полустационарные исследования экотонных систем побережий искусственных водоемов сопровождались регистрацией географических координат объектов исследования с использованием GPS – навигатора GARMIN-12.
Анализ проб на минерализацию и химизм вод водоемов был выполнен в лаборатории ФГБНУ Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия (г. Волгоград) в соответствии со стандартом ГОСТ 26449.1-85: катионно-анионный состав по шестикомпонентному составу (определение кальция, магния, натрия, хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов) – титриметрическим методом, определение сухого остатка – гравиметрическим, определение pH – потенциометрическим.
Сравнительный анализ ретроспективной и актуальной космической информации показал значительное обмеление водохранилища Аршань-Зельмень с 2012 до 2022 г. Начиная с 2023 г. площадь водной поверхности водохранилища стала увеличиваться и составила 2,19 км2 (по состоянию на 16.05.2023 г.). В осенний период 2023 года площадь водоема составила 1,07 км2, засоление водохранилища составило 21,72 г/л Максимальное изменение уровня за этот период по результатам ретроспективного мониторинга составило 4,4 м.
Площадь зеркала водной поверхности водохранилища Суварган составила 0,48 км2 в весенний период 2023 г. и 0,27 км2 в осенний. Ширина водохранилища около 200-300 м, изменяется по сезонам и годам. Минерализация поверхностных вод в весенний период составила 6,18 г/л, тип засоления натриево-сульфатно-хлоридный; в осенний – 11,63 г/л, тип засоления хлоридно-натриево-сульфатный.
Площадь водохранилища Нугра составила на 16.05.2023 г. 0,67 км2, в осенний период к 21.09.2023 г. – 0,43 км2. Минерализация поверхностных вод в по состоянию на 12 мая 2023 г. составила 1,22 г/л, тип засоления гидрокарбонатно-натриево-хлоридный.
Площадь водохранилища Улан-Эргэ составила на 16.05.2023 г. 1,31 км2, в осенний период к 21.09.2023 г. – 1,92 км2. Минерализация водохранилища Улан-Эргэ составила в весенний период 2023 г. 15,79 г/л. В осенний период минерализация значительно повысилась и составила 41,23 г/л. Тип засоления – хлоридно-натриево-сульфатный.
Анализ данных ДЗЗ по водохранилищу Цаган-Нур с 2012 по 2023 гг. показывает, что площадь водоема значительно сократилась к 2019 году, а начиная с 2021 года водохранилище стали наполнять за счет сброса волжской воды. Урез воды в весенний период 2023 года сместился вглубь коренного берега на 315 м, площадь водохранилища увеличилась к осени 2023 года до 26,91 км2. Это значение практически в два раза меньше площади при нормальном подпорном уровне. Глубина его в центральной части не превышает 1,2-1,4 м. Поверхностные воды в центральной части водоема в весенний период 2023 г. имели минерализацию 7,14 г/л, что практически равняется среднемноголетнему значению засоления. Воды по качеству – натриево-хлоридно-сульфатные. В осенний период 2023 г. засоление этой части водоема составило 2,26 г/л. Анализ минерализации вод за ряд лет в приплотинной части водоема показал ее значительное снижение. Так, в 2019 году минерализация здесь составляла 107,73 г/л. Весной 2023 года засоление этой части водоема составило 13,42 г/л, а к сентябрю – 9,65 г/л. Причина положительной динамики гидрологических параметров водохранилища – наполнение водоема волжской водой по каналам Сарпинской обводнительно-оросительной системы. Эти положительные тенденции наблюдаются впервые за последние пять лет.
Площадь Чограйского водохранилища на весну 2023 года составила 73,38 км2. Минерализация поверхностных вод центральной части Чограйского водохранилища составила в весенний период 1,99 г/л, в осенний 1,63 г/л. Засоление вод в этой части водоема сильно не изменилось за последние 5 лет. Тип засоления вод – гидрокарбонатно-натриево-хлоридный. Водохранилище продолжают спускать в целях реконструкции плотины.
Анализ материалов разновременной космической информации по Красинскому водохранилищу показывает значительную динамику площади водного зеркала. Так, по состоянию на 03.5.2012 г. (ИСЗ «Landsat-7», камерой ETM+) площадь водоема составляла 2,04 км2. К весне 2023 г. (17.05.2023 г. ИСЗ «Landsat-8», камера ОLI-TIRS) площадь водоема составила 0,65 км2. Полевые исследования показали, что площадь водной поверхности водоема значительно уменьшилась в связи с обмелением и зарастанием тростником южным (Phragmites australis). Минерализация поверхностных вод Красинского водохранилища изменилась от 0,37 г/л в 2012 году до 0,43 г/л в 2023 году. Тип засоления поверхностных вод преимущественно магниево-гидрокарбонатно-хлоридный.
Согласно материалам космической съемки площадь водохранилища Деед-Хулсун на 29 сентября 2023 г. составила 13,66 км2 (ИСЗ «Landsat-8», камера OLI-TIRS, синтез каналов 5,4,3). По сравнению с 2022 годом площадь водоема немного увеличилась, что, скорее всего, связано со сбросом вод из Чограйского водохранилища из-за ремонта его плотины. Минерализация поверхностных вод водоема снизилась практически в два раза и составила 7,28 г/л. Тип засоления – натриево-хлоридно-сульфатный. В зоне выклинивания подпора минерализация ПВ была выше, чем у плотины и составила 9,4 г/л. Тип засоления ПВ – натриево-сульфатно-хлоридный.
Весной 2023 г. площадь водоема Киркита составила 3,57 км2, осенью стала 4,88 км2. Минерализация вод водоема в 2009-2011 гг. составляла 2,2-2,8 г/л. К осени 2023 г. минерализация водоема составила 12,06 г/л. Тип минерализации вод в 2023 году – натриево-хлоридно-сульфатный.
Площадь водохранилища Хар-Эргэ сильно варьирует и зависит от подачи чограйской воды. По состоянию на 17.05.2023 г. она составила 4,64 км2, а к 01.10.2023 г. площадь увеличилась до 5,16 км2. Минерализация поверхностных вод в весенний период составила 13,14 г/л, тип засоления натриево-хлоридно-сульфатный; в осенний – 10,38 г/л, тип засоления натриево-хлоридно-сульфатный.
Площадь водоема Келтрикан по данным космической съемки за 17.05.2023 г. составила 0,17 км2, к осени водоем пересох полностью. Являясь самым удаленным из Состинских водоемов от водоисточника, Келтрикан часто мелеет и сильно засоляется. Водоем Келтрикан оказался самым засоленным из Состинских водоемов. Его минерализация составила в 2023 году 169,14 г/л, став еще больше, по сравнению с 2022 годом. Тип засоления – сульфатно-натриево-хлоридный.
Таким образом, проведенные исследования показали, что в 2023 году впервые за последние годы (с 2017-2022 гг.) для водохранилищ Аршань-Зельмень, Цаган-Нур и Деед-Хулсун было выявлено незначительное увеличение площади водного зеркала. Причины небольшого увеличения площади различны: на вдхр. Аршань-Зельмень, имеющим атмосферное питание, сказались условия более влажного 2023 года; на вдхр. Цаган-Нур – подача значительных объемов воды из р. Волга, на вдхр. Деед-Хулсун – сброс воды из Чограйского водохранилища, в связи с продолжающимся ремонтом плотины последнего. В сезонной динамике поверхностных вод также были выявлены небольшие положительные тенденции для водохранилищ, существующих на привлеченном стоке: впервые за последние годы их площадь водного зеркала незначительно увеличилась от весны к осени (вдхр. Цаган-Нур, Деед-Хулсун, Киркита). Связано это с режимом подачи воды от питающих их источников. У остальных водохранилищ сохранилась тенденция уменьшения объема, уровня и площади водного зеркала к осени (Аршань-Зельмень, Нугра, Суварган, Красинское).
Качественный анализ поверхностных вод практически всех водоемов Калмыкии показал, что воды соленые и очень соленые, средние многолетние значения минерализации поверхностных вод колеблются от 1,9 до 13,42 г/л. Наиболее засоленным из обследованных оказался водоем Келтрикан, его засоление в 2023 г. составило 169,14 г/л. Наименее засоленным оказалось Красинское водохранилище (0,43 г/л у плотины и 0,53 г/л в зоне выклинивания подпора). По качественному составу поверхностные и грунтовые воды имеют преимущественно хлоридно-сульфатное или сульфатно-хлоридное засоление.
Результаты исследований показали, что гидрологический режим большинства водохранилищ Калмыкии характеризуется нестабильностью объема, водного зеркала, уровня, минерализации, высоким испарением, замедленным водообменом, слабой проточностью, и, как следствие в условиях жаркого климата, – накоплением химических и токсичных веществ.