Бассейновый подход в оценке влияния сплошных рубок леса на объем годового стока на примере водосборного бассейна р. Мезень (Удорский район Республики Коми)

Оценка воздействия лесозаготовок на водные ресурсы должна опираться на ландшафтный подход. Стоит отметить, что такой метод рассматривает географическую оболочку, как комплекс взаимосвязанных между собой элементов. Наиболее верным в данном случае будет выделение бассейновой парагенетической системы, которая собирает в совокупности морфологические, климатические, почвенные и гидрологические условия (Плотникова, Харитонова, 2018).
Район исследования. Исследование было осуществлено на модельном водосборе реки Мезень, захватывающем участок русла от истока (64.40077, 50.80140) до пересечения его с границей Республики Коми (64.3397, 48.3290). Данное географическое ограничение обусловлено том, что именно эта территория входит в границы Удорского района Республики Коми, который в 1967 году был включен в договор о совместных лесозаготовках между СССР и Народной Республикой Болгарией. С середины 1970-х годов совместное советско-болгарское предприятие «МезеноЛес» начало интенсивную сплошную рубку леса на территории мезенского бассейна в Удорском районе.
Для того, чтобы осуществить попытку найти взаимосвязь между двумя параметрами – площадной динамикой лесозаготовок и колебанием гидрологических измерений, следует опираться на выделение условных границ, внутри которых будет проведен пространственный анализ. Именно поэтому здесь будет уместно использовать бассейновый подход. Комплексное исследование антропогенного воздействия на ландшафт должно опираться на геосистемную концепцию, где учитывается целостность системы, совокупность связей, пространственно-временная структура (Осипов, Дмитриев, 2017).
Определение границ модельного водосборного бассейна. Для решения поставленной задачи, связанной с анализом воздействия лесозаготовок на гидрологический режим, были определены следующие границы водосборного бассейна: от истока реки до гидрологического поста Большая Пысса (64.18029° N,48.84049°E), который будет являться условным устьем. Ключевыми факторами, обуславливающими различие алгоритмов действий и используемых инструментов, в первую очередь, являются исходные данные.
В качестве данных, необходимых для корректного построения границ, использовались как топографические карты масштаба 1 : 200 000, так и данные дистанционного зондирования Земли – цифровые модели рельефа (SRTM и ArcticDem). Реализация построения границ исследуемого бассейна осуществлялась в геоинформационных системах QGIS (версия 3.x) и SAGA GIS (версия 2.3.2). Первый шаг заключался в ручной оцифровке гидрологической сети основного русла р. Мезень и ее притоков. Это было сделано для первичного экспертного выделения основного исследуемого бассейна. Второй шаг – автоматический анализ цифровой модели рельефа SRTM в SAGA GIS. Поскольку данные ЦМР GMTED 2010 для территорий, расположенных севернее 600 с. ш. содержат в себе артефакты съемки – пустые пиксели и неточные атрибуты, поэтому контуры границ водосборных бассейнов было необходимо скорректировать, используя высокодетальные данные ArcticDEM с пространственным разрешением в 2 метра. Как было сказано выше, в качестве условного «устья» реки использовалась точка расположения гидрологического поста Большая Пысса. Однако на территории водосборного бассейна расположен еще один пост наблюдений – д. Макар-Ыб (63.63161°N ,49.45135°E). Наличие этой точки позволило разделить исследуемый водосбор на две пространственных компоненты: от истока р. Мезень до д. Макар-Ыб, и от д. Макар-Ыб до с. Большая Пысса.
Таким образом территория исследования состоит из двух водосборных бассейнов. Водосборный бассейн I: река Мезень от истока до гидрологического поста Макар-Ыб. Площадь – 6 426,2 км2. Водосборный бассейн II: река Мезень и ее притоки от гидрологического поста Макар-Ыб до гидрологического поста Большая Пысса. Площадь – 9 719,9 км2. Такое разделение обусловлено не только расположением постов наблюдений, но и тем, что первые периоды активной рубки леса (1970 - 1980 гг.) были сконцентрированы на территории водосборного бассейна II, тогда как сведение лесов на первом водосборе перешло в активную фазу позже – с 1985 по 1995 гг.
Анализ динамики рубок леса. Поскольку анализируется довольно продолжительный период освоения территории в прошлом (1970–1990 гг.), наиболее достоверным источником информации о динамике изменения лесного покрова будут выступать данные дистанционного зондирования.
В рамках исследования была поставлена задача проанализировать разновременные данные космосъемки, и конечным результатом должен стать векторный слой, описывающий границы лесосек с наиболее раннего периода до настоящего времени с последующим расчетом площадей рубок. Сама методика получения такой информации может идти через несколько подходов. Первый, и самый простой – экспертное дешифрирование и ручная оцифровка, второй – полуавтоматическая и автоматическая классификация растровых изображений с выделением эталонных классов вырубок. Поскольку в рамках исследования использовались космоснимки за довольно широкий диапазон времени (50 лет), а сами растровые изображения представляли из себя как монохромные (Corona KH-1), так и мультиспектральные (Landsat) данные, требовалось применять несколько подходов к оценке динамики лесозаготовительной деятельности. Можно выделить следующие алгоритмы анализа – экспертное дешифрирование с ручной оцифровкой, построение мультивременных композитов с полуавтоматической классификацией и использование готовых данных проекта Global Forest Watch для периода с 2001 года (Hansen et. al., 2013).
При работе с архивными космоснимками Corona KH-1 был использован подход экспертного дешифрирования с последующей оцифровкой. При работе с мультиспектральными данным Landsat для получения информации о динамике лесозаготовительной деятельности можно расширить алгоритмы ГИС-анализа. В первую очередь – это возможность построения мультивременных композитов данных. Это наиболее эффективный способ обнаружения каких-либо изменений ландшафта, а рамках которого используется синтез разновременных спутниковых снимков. Для Landsat 4, Landsat 5 и Landsat 7 используются каналы Band 1 (видимый синий) и Band 2 (видимый зеленый) для раннего изображения, и Band 3 (видимый красный) для позднего (Бахтионова и др., 2012). При построении таких комбинаций спектральных диапазонов в ГИС все новые объекты на исследуемой территории водосборных бассейнов (вырубки, пожары, ветровалы, антропогенная инфраструктура) будут иметь ярко-красные цвета, что позволяет их довольно эффективно дешифрировать.
Ключевыми требованиями к подбору пар космоснимков являются сезон съемки и отсутствие облачности. В совокупности космоснимков Landsat период с 1980 по 2000 гг., были выявлены пробелы в данных, связанные как с отсутствием данных, так и с высоким процентом облачности на территории водосборного бассейна. Таким образом аналитическая работа по созданию мультивременных композитов опиралась на временной ряд с шагом в пять лет. Источником пространственных данных лесных потерь для периода с 2001 по 2023 годы является ресурс Global Forest Watch.
Гидрологические данные. Подход с разделением исследуемого водосборного бассейна на две части, где условными точками «устьев» являются гидрологические посты, позволяет детализировать дальнейшие аналитические работы по оценке годового стока. Во-первых, на модельном водосборе «Макар-Ыб – Большая Пысса» расположены основные кластеры сплошных рубок, выявленных с 1970 по 2023 гг. На водосборном бассейне «Исток – Макар-Ыб» процесс рубок леса начался значительно позже и процент рубок на водосборном бассейне меньше. Во-вторых, имея данные многолетних гидрологических наблюдений для двух гидропостов, возникает возможность определить колебания годового объема стока как на Бассейне I, так и на Бассейне II. В рамках данного исследования были использованы параметры годового объема стока. Для двух гидрологических постов были обработаны ряды данных, датируемые с 1960 по 2022 годы (62 года наблюдений). Такой охват позволяет оценить динамику объема годового стока до начала масштабных рубок, во время освоения территории с 1970 по 1990 гг., и после «болгарских рубок» - с 2000 года по настоящее время.
Исходные гидрологические данные с 1960 по 2008 годы получены от ФГБУ Северного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды «Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Республики Коми», данные с 2008 года по 2022 – из открытых наборов данных «Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов Российской Федерации (АИС ГМВО)».
Для водосборного бассейна II до 1980 года наблюдалось незначительное распределение параметров объема годового стока за каждые пять лет. В основном все значения с 1960 по 1980 гг. находились в промежутке между 2,9 км3 и 3,6 км3, прослеживалась плавная динамика уменьшения. Однако с 1980 по 2022 годы прослеживается очевидный разброс параметров объема годового стока. Здесь стоит отметить, что активный период лесозаготовительной деятельности начался в 1975 году. Для водосборного бассейна I с 1960 по 1980 годов наблюдается схожая картина динамики годового объема стока. Активная рубка леса на этом водосборе началась с 1985 года. Очевидный разброс параметров зафиксирован с 1995 года. Стоит отметить, что амплитуда размаха на водосборном бассейне I гораздо ниже.
До активного процесса рубок леса на исследуемом водосборном бассейне годовой объем стока имел невысокие параметры разброса, наблюдался незначительный тренд снижения этого гидрологического показателя (период с 1960 по 1980 гг.). С 1975 года стартовала деятельность предприятия «МезеньЛес», характеризующаяся стихийными рубками леса на территории водосборного бассейна, активный период заготовки с 1975 по 1990 гг.