Спутниковый мониторинг антропогенных воздействий сбрасываемых вод на Авачинскую бухту (Камчатка) по оптическим и радиолокационным данным

Антропогенные воздействия на прибрежные акватории представляют собой одну из серьёзных экологических проблем. Одними из наиболее опасных источников таких воздействий являются сбросы промышленных и хозяйственно-бытовых вод (выпуски сточных вод, в том числе глубинные стоки) [1]. Методы спутникового мониторинга антропогенных воздействий на морские акватории, обеспечивают такие преимущества как широкий пространственный охват, регулярность и оперативность получения информации, использование различных физических механизмов взаимодействия электромагнитного излучения оптического и радио диапазонов с морской поверхностью и приповерхностным слоем, являются эффективным инструментом для исследования антропогенных воздействий выпусков сточных вод [1,2]. Эффективность этих методов повышается при их использовании совместно с подспутниковыми измерениями параметров различных гидрофизических процессов [3].
В настоящем исследовании представлены и проанализированы предварительные результаты спутникового мониторинга антропогенных воздействий сбрасываемых вод на Авачинскую бухту по оптическим и радиолокационным данным. Эта бухта является участком прибрежных акваторий Камчатки, который характеризуется наиболее сильными антропогенными воздействиями в этом регионе. На берегах Авачинской бухты располагаются такие населённые пункты как Петропавловск Камчатский и Вилючинск [4].
В работе использован массив разнородных спутниковых данных, полученных за период с 2005 по 2024 гг. с космических аппаратов типа Ресурс-П, Канопус-В, Sentinel-1, Sentinel-2, а также со спутников MAXAR. В качестве априорной информации использовались данные о батиметрии бухты, ветровых условиях, расположении сбросовых коллекторов и др.
При обработке оптических изображений применялось интерактивное дешифрирование проявлений плюмов стоков вблизи сбросовых коллекторов с использованием различных комбинаций каналов съёмочной аппаратуры и настроек гистограмм яркости [1,5], определялись площади и анализировались пространственно-геометрические особенности плюмов. С использованием калиброванных изображений с атмосферной коррекцией (Sentinel-2) определялись и сопоставлялись кривые спектральной отражательной способности в области проявлений оптических аномалий, обусловленных плюмами стоков, и фоновых участков морской поверхности.
При обработке радиолокационных изображений выполнялось выявление и определение генезиса сликовых образований в районах акватории, приуроченных к сбросовым коллекторам. С использованием интерактивного дешифрирования и комплексного геоинформационного подхода [6] отсортировывались плёночные слики, обусловленные стоками. Исследовались пространственно-геометрические особенности, площади выявленных плёночных сликов и их радиолокационные контрасты, приуроченные к зонам размещения коллекторов [2].
На основании анализа временных рядов спутниковых оптических изображений, полученных с различных космических аппаратов в период времени с 2005 по 2024 г., было зарегистрировано более 100 оптических аномалий водной среды, связанных со сбрасываемыми в Авачинскую бухту водами. Плюмы сбрасываемых вод выявлялись в следующих районах: а) в районе очистных сооружений (КОС) «Чавыча» (2018–2024 гг.), где суммарная площадь плюмов составила 0,245 км²; б) в бухте Сероглазка (2015–2024 гг.) — суммарная площадь 0,121 км²; в) у микрорайона Капай (2018–2023 гг.) — суммарная площадь 0,035 км²; г) у северного побережья района Рыбачий (2015–2021 гг.) — суммарная площадь 0,026 км²; д) у южного побережья района Рыбачий (2005–2023 гг.) — суммарная площадь 0,013 км²; е) у района Советский, Вилючинск (2005–2022 гг.) — суммарная площадь 0,059 км²; ж) к югу от района Советский, Вилючинск (2009–2023 гг.) — суммарная площадь 0,017 км².
В зимнее время в ряде случаев плюм сбрасываемых вод проявлялся в виде полыньи (отсутствии льда).
Сопоставление кривых спектральной отражательной способности в области проявлений плюмов и фоновых участков морской поверхности (КОС «Чавыча», 4 случая обнаружения плюма по калиброванным данным, Sentinel-2) показало увеличенные значения спектральной отражательной способности зон загрязнений во всём анализируемом диапазоне длин волн (от 0,4 до 2,2 мкм). Спектральные контрасты Вебера, вычисленные для аномалий, колебались от ~0,1 до ~0,4, демонстрируя максимумы в каналах с длинами волн ~0,66 и ~0,70, что представляет интерес для дальнейших исследований.
На основании анализа временных рядов спутниковых радиолокационных изображений, полученных в период времени с 2014 по 2024 гг., было зарегистрировано 68 плёночных загрязнений, связанных со сбрасываемыми в Авачинскую бухту водами. В отличие от оптических аномалий, которые выявлялись в 6-и районах, плёночные загрязнения выявлялись в 3-х районах: а) в бухте Сероглазка (2018–2024 гг.) — суммарная площадь загрязнений составила 5,070 км²; б) у района Советский, Вилючинск (2015–2024 гг.) — суммарная площадь 22,256 км²; в) к югу от района Советский, Вилючинск (2015–2024 гг.) — суммарная площадь 6,263 км². Осреднённые по районам радиолокационные контрасты УЭПР наблюдаемых плёночных загрязнений варьировались в диапазоне от -4,037 дБ (бухта Сероглазка) до -6,255 дБ (район Советский).
Комплексный анализ пространственно-геометрических свойств и площадей зон антропогенных воздействий выпусков сточных вод, выявленных по оптическим и радиолокационным данным, показал согласованную приуроченность этих зон к источникам загрязнений – сбросовым коллекторам. Зарегистрированные существенные отличия суммарных площадей зон антропогенных воздействий, выявленных по оптическим и радиолокационным данным на одних и тех же участках, объясняются принципиальными различиями в физических механизмах формирования оптических и радиолокационных изображений морской поверхности, в результате чего регистрируются различные формы проявления антропогенных воздействий выпусков сточных вод. По оптическим данным выявляются плюмы сточных вод повышенной мутности с содержанием взвесей в приповерхностном слое морской среды. Результаты обработки радиолокационных данных демонстрируют возможность выявления плёночных загрязнений морской поверхности, обусловленных выпусками сточных вод. Вариации площадей зарегистрированных зон антропогенных воздействий объясняются, кроме того, и изменчивостью интенсивности выпусков сбрасываемых вод.
Показано, что комбинированное использование оптических и радиолокационных спутниковых данных демонстрирует высокую эффективность при мониторинге антропогенных воздействий выпусков сточных вод в прибрежных акваториях.
Полученные результаты, с одной стороны, доказывают ценность космических методов ДЗЗ для решения задач получения сведений об антропогенных воздействиях на прибрежные акватории, с другой стороны, обнаруживают значительную интенсивность пространственно-временные характеристики антропогенных воздействий сбросов сточных вод морскую среду Авачинской бухты, что может быть использовано местными органами власти при принятии управленческих решений.
Исследование проведено в рамках государственного задания по теме FNEE-2024-0002 («Разработка научно-технических решений в интересах мониторинга и прогнозирования опасных природных явлений и антропогенных воздействий в прибрежных морских акваториях Камчатки по спутниковым данным»).