Оценка зон влияния машинного ирригационного канала из Шардаринского вдхр. на поливную пашню массива «Голодная степь» в Казахстане

Ирригационный массив «Голодная степь», расположенный в Туркестанской области Казахстана (Мактааральский и Жетысайский районы), включает около 180 тыс. гектар поливной пашни. Основная часть поливных вод для этого массива обеспечивается через канал «Достык» (расход воды у истока до 230 м3/сек). Длина канала составляет 113 км, из которых последние 49 км проходят по территории Казахстана. Канал начинается от небольшого водохранилища Фархадской ГЭС (Узбекистан) на реке Сырдарья и заканчивается впадением в Шардаринское вдхр. (5,7 км3) у г. Жетысай (Казахстан).
С 2011 года канал Достык на территории Казахстана получил дополнительный машинный водозабор (канал) из Шардаринского вдхр. Этот водозабор, с помощью насосных станций, может обеспечивать расход воды до 70 м3/сек. В составе машинного канала имеется подводящий канал длиной 14 км, проложенный по дну Шардаринского водохранилища. Затем, вода поступает к береговой насосной станции №1. Далее по наземной части машинного канала длиной 16 км, к подкачивающей насосной станции №2, после чего подается в канал Достык.
Таким образом, в настоящее время поливная пашня в ирригационном массиве «Голодная степь» в Казахстане имеет два крупных источника воды для ирригации с независимыми режимами администрирования. Первый, это канал Достык, который приходит из Узбекистана после ирригации узбекской части массива «Голодная степь». Второй, это машинный канал, полностью расположенный в Казахстане. Режим доступа к воде через машинный канал из Шардаринского вдхр. отличается от режима из водохранилища Фархадской ГЭС. Различия связаны с известным эффектом «экспорта дефицита воды» в нижние части бассейнов трансграничных рек. Маловодье всегда усугубляется в нижних частях речных бассейнов. Кроме того, Шардаринское вдхр. имеет паспортный объём в 5,7 км3, против 0,325 км3 (фактически существенно меньше из-за заиливания) водохранилища Фархадской ГЭС. Таким образом, расход воды в канале Достык более тесно связан с текущей водностью р. Сырдарья и её локальными вариациями, в отличии от машинного канала, водозабор которого стабилизирован большим объёмом водохранилища.
Ожидалось, что водоснабжение поливной пашни из Шардаринского вдхр. с помощью машинного канала будет иметь более стабильный характер, в сравнении с теми частями с\х угодий, которые преимущественно снабжаются водой из водохранилища Фархадской ГЭС. Целью данного исследования было выделение пространственных зон влияния машинного канала и ранжирование пашни по уровню водообеспеченности.
Растительный покров поливной пашни массива «Голодная степь» характеризуется очень пёстрой картиной роста и развития сельскохозяйственных культур, что делает малоэффективным использование стандартных подходов классификации, основанных на значениях спектральных характеристик подстилающей поверхности. В качестве ключевых признаков для распознавания зон влияния машинного канала (зон лучшей водообеспеченности) в данной работе были использованы не сами величины коэффициентов отражения (спектральные индексы), а направленность линейных трендов их изменений в последние 6 лет. Степень устойчивости режима ирригации приводит к различиям в характеристиках многолетних линейных трендов значений вегетационного индекса. Пашня, использующая воду машинного канала из Шардаринского вдхр., менее зависима от погодных условий и текущей водности р. Сырдарья, в отличии от пашни, получающей воду из водохранилища Фархадской ГЭС. Из-за заиливания современный объём этого водохранилища так мал, что фактически осуществляется прямой отбор воды из реки Сырдарья.
В качестве ключевого параметра для ранжирования использовалась схожесть многолетних динамических спектральных характеристик поливной пашни в Казахстанском секторе «Голодной Степи» с сопредельной поливной пашней Узбекистана. В Узбекистане поливная пашня имеет лучшую водообеспеченность, что вызвано географическим фактором. Также, принималась во внимание территориальная близость к машинному каналу и ирригационной инфраструктуре непосредственно с ним связанной.
Состояние растительности описывалось через значения стандартного спутникового растительного индекса Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), рассчитываемого по данным Sentinel-2 (разрешение 10 м) по формуле: NDVI=(NIR−RED)/(NIR+RED); где NIR (канал 8: 877 нм) и RED (канал 4 : 665 нм). Представительный архив этих данных относится к периоду начиная с 2019 года, что определило период анализа как 2019-2024 гг. Короткие временные ряды (шесть отсчетов) создают сложности при количественном анализе трендов. Поэтому, в исследовании использовались непараметрические методики и в частности, метод Манна-Кендалла, через коэффициент ранговой корреляции Кендалла.
При анализе многолетних временных рядов значений вегетационного индекса NDVI существенную роль играет фильтрация помех от облачности. В литературе описано множество различные подходов, что особенно важно при трендовом анализе. Алгоритмом очистки временного ряда NDVI от влияния облачности в данном исследовании было выбрано накопление максимальных значений в анализируемом временном окне внутри сезона. Т.е. использовался принцип верхней огибающей облака точек значений NDVI, зарегистрированных спутником во временном окне в течении сезона. Благоприятным фактором в данном случае являлся климат южного Казахстана, который характеризуется большим количеством малооблачных дней и относительно низким уровнем помех от облачного покрова.
В исследовании были рассмотрены временные ряды NDVI периода 2019-2024 гг., сформированные по данным, полученным в трёх временных окнах: 15 апреля – 15 мая; 15 мая – 15 июня; и 1 мая – 30 сентября (сезонный максимум). Полученные временные ряды, включающие по 6 отсчетов, были оценены с точки зрения направленности и выраженности монотонных трендов NDVI через значения ранговой корреляции Кендалла.
Наиболее информативным для решения поставленной в исследовании задачи ранжирования поливной пашни Казахстанского сектора массива «Голодная степь» оказался период 15 мая – 15 июня. Это временное окно обеспечивало наилучшее разделение пашни Казахстана от пашни Узбекистана. Коэффициенты ранговой корреляции Кендалла, представленные в виде регулярной матрицы значений, с периодом 10 м, использовались для последующего экспертного картирования поливной пашни Казахстана на два класса, по признаку схожести текстур с текстурами с лучше обеспеченной поливной водой, пашней Узбекистана.
В результате картирования было получено, что примерно около 40% поливной пашни в Казахстанском секторе массива «Голодная степь», схожи по многолетним динамическим режимам значений NDVI с лучше обеспеченной поливной водой пашней сопредельных территорий Узбекистана. Из них около 16 % (примерно 32 тыс. га) расположены в зоне влияние ирригационной инфраструктуры машинного канала.
Спутниковые оценки фактической водообеспеченности полей внутри массива «Голодная степь» в Казахстане за последние шесть лет представляют существенный практический интерес для обеспечения эффективного менеджмента в области ирригационной политики. В результате проведенного исследования (трендовый анализ спутниковых данных) были выделены зоны, имеющие признаки лучшей и худшей водообеспеченности, что может служить основой для последующих наземных обследований.
Исследования профинансированы в рамках проектов министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, №№ АР26104709; BR24992908.