Прогноз ежедневных площадей заливания дельты Волги в половодье с использованием спутниковых данных

Разработана методика прогноза половодья в дельте Волги (ДВ). ДВ имеет большое хозяйственное значение, активно используется в сельском, рыбном, коммунальном хозяйствах, в водном транспорте. ДВ является высокопродуктивным нерестилищем. Важная особенность водного режима ДВ – сильное заливание в период половодья. Прогноз площадей заливания ДВ (Fобщ) в половодье необходим для оптимального управления водным режимом ДВ, планирования водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, предупреждения и защиты от наводнений и маловодий.
Цель и задачи данного исследования:
• разработать методику расчета прогнозных ежедневных Fобщ ДВ в половодье с применением космоснимков;
• рассчитать прогнозные ежедневные Fобщ ДВ в многоводное половодье 2017 г.;
• рассчитать прогнозные ежедневные среднесуточные уровни воды (НР) на гидропостах в водотоках ДВ для многоводного половодья 2017 г.

ДВ поделена на 16 районов по ландшафтным и гидрографическим особенностям (Полонский, 2003). Работа сделана на примере района 11 в связи с тем, что:
• по нему имеется большое количество космоснимков;
• территория этого района расположена вдоль водотоков р. Бузан, р. Кривой Бузан, р. Большая Сумница на участке от села Красный Яр до истока р. Широкая. Р. Бузан – это один из 5 крупных магистральных рукавов р. Волги. Речная система Бузана наиболее крупная в ДВ (занимает 43% площади ДВ).
Исходные данные:
• космоснимки ДВ с высоким разрешением спутников Landsat-7 (30 м), Landsat-8 (30 м), Sentinel-2 (20 м);
• данные по НР на гидропостах в руслах водотоков;
• данные по плановым сбросам Волжской ГЭС.

Прогноз ежедневных Fобщ района 11 сделан от начала до пика многоводного половодья 2017 г. методом общей ветви подъема половодий на графике зависимости Fобщ от НР (Fобщ = f(НР)). У районов ДВ ветви подъема половодий разной водности идут по одной и той же траектории на графике Fобщ = f(НР) (Полонский, Остроумова, 2005). Поэтому для района 11 на графике Fобщ = f(НР) была построена общая ветвь подъема прошедших до 2017 г. половодий разной водности по интерполяционным линиям, соединяющим точки подъема и межени этих половодий. Каждая интерполяционная линия была описана уравнением. Таким образом были получены прогнозные уравнения общей ветви подъема половодий разной водности. В эти прогнозные уравнения были подставлены ежедневные прогнозные НР, полученные для периода подъема прогнозируемого половодья (от начала до пика). Таким образом были рассчитаны ежедневные прогнозные Fобщ от начала до пика прогнозируемого половодья.

Для прогноза ежедневных НР половодья 2017 г. был применен метод В.Ф. Полонского (2011). Данные плановых ежедневных сбросов (среднесуточных расходов воды) Волжской ГЭС (Qгэс план п.) были взяты за прогнозируемое половодье 2017 г. Для этих данных были подобраны фактические ежедневные сбросы Волжской ГЭС (Qгэс факт сходн) за половодье со сходными параметрами водности и формой гидрографа сбросов. Для проверки сходства были использованы статистические параметры – коэффициент корреляции Пирсона, коэффициент детерминации, средняя абсолютная ошибка, среднеквадратичная ошибка, разность между средними значениями. Затем по половодью аналогичному прогнозируемому был построен график зависимости ежедневных Qгэс факт сходн от ежедневных суммарных среднесуточных расходов воды, поступающей в дельту Волги по руслам рек Волги и Ахтубы, с Волго-Ахтубинской поймы (Qсум факт сходн) (Qсум факт сходн = f(Qгэс факт сходн)). В полученное уравнение на место аргумента от функции были подставлены значения ежедневных Qгэс план п. прогнозируемого половодья. Таким образом по Qгэс план п. были рассчитаны прогнозные ежедневные суммарные среднесуточные расходы воды, поступающие в дельту Волги по руслам рек Волги и Ахтубы, с Волго-Ахтубинской поймы (Qсум план п.) для прогнозируемого половодья. Затем была построена зависимость ежедневных НР за половодье аналогичное прогнозируемому (НР факт сходн) от ежедневных Qсум факт сходн (НР факт сходн = f(Qсум факт сходн)). В полученное уравнение на место аргумента от функции были подставлены значения полученных прогнозных ежедневных Qсум план п. прогнозируемого половодья. Таким образом по Qсум план п. были рассчитаны прогнозные ежедневные НР (НР план п.) для прогнозируемого половодья (Полонский, 2011). Точность прогноза зависит от точности плановых ежедневных сбросов Волжской ГЭС – чем выше точность плана, тем выше точность прогноза. Точный план обеспечит точные результаты расчета.

Для проверки точности расчета ежедневных Fобщ района 11 прогнозных от начала до пика многоводного половодья 2017 г. методом построения прогнозной общей ветви подъема половодий был проведен статистический анализ. Для этого была построена линейная регрессионная зависимость ежедневных Fобщ района 11 фактических за половодье 2017 г., рассчитанных по методике В.Ф. Полонского и Л.П Остроумовой (2005), от ежедневных Fобщ района 11 прогнозных за половодье 2017 г., полученных методом прогнозной общей ветви подъема половодий. Для того, чтобы обеспечить высокую точность расчета Fобщ района 11 фактических за половодье 2017 г. (Зилитинкевич, 2024), были использованы входные данные по Fобщ района 11, рассчитанные по спектральному алгоритму для выделения покрытых водой участков на космоснимках (Xu, 2006) с помощью программы ENVI 5.3 (ENVI..., 2009).
Статистический анализ показал, что:
• точность расчета ежедневных прогнозных Fобщ ДВ высокая, если в прогнозные уравнения общей ветви подъема половодий подставить ежедневные фактические НР прогнозируемого половодья;
• точность расчета ежедневных прогнозных Fобщ ДВ снижается, если в прогнозные уравнения общей ветви подъема половодий подставить ежедневные прогнозные НР прогнозируемого половодья, полученные по плану сбросов Волжской ГЭС, если в процессе фактических сбросов Волжской ГЭС будут происходить отклонения от плана (точность прогноза зависит от точности выполнения плана сбросов Волжской ГЭС).

Таким образом, впервые разработана методика расчета прогнозных ежедневных Fобщ районов ДВ в половодье с применением космоснимков. Впервые рассчитаны на примере района 11 ДВ с применением разработанной методики:
• прогнозные ежедневные Fобщ района 11 от начала до пика многоводного половодья 2017 г. методом прогнозной общей ветви подъема половодий;
• прогнозные ежедневные НР в районе 11 от начала до пика многоводного половодья 2017 г. методом В.Ф. Полонского (2011).

Работа выполнена в рамках темы № FMWZ-2025-0001 Государственного задания ИВП РАН.