Падалко Ю.А. Павлейчик В.М. Выявление сезонных и многолетних вариаций площади озер Южного Зауралья на основе спутниковых изображений Landsat (предварительные результаты исследования) / Водные ресурсы: изучение и управление (лимнологическая школа-практика). Материалы V Междунар. Конф. молодых ученых (5–8 сентября 2016 г.) / Отв. ред. Д. А. Субетто, и др.. Т. 1. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2016. С.60-66.

ПАДАЛКО Ю. А., ПАВЛЕЙЧИК В. М.

Институт степи УрО РАН

ВЫЯВЛЕНИЕ СЕЗОННЫХ И МНОГОЛЕТНИХ ВАРИАЦИЙ ПЛОЩАДИ ОЗЕР ЮЖНОГО ЗАУРАЛЬЯ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ LANDSAT (ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ)

Рассмотрены морфометрические особенности водосбора озер Южного Зауралья, занимающего обособленное положение между бассейном р. Урал и бессточной областью Тургайских озер. На основе данных архива спутниковых изображений Landsat подготовлена база данных с гидрографической информацией. Рассмотрены многолетние вариации площадей озер с 1985 г., выявлены наиболее существенные многоводные и маловодные периоды. Обсуждены геоэкологические и социально-экономические последствия выявленных гидрологических изменений.

Yu. A. Padalko, V. M. Pavleichik

Institute of Steppe of the Ural Branch RAS

IDENTIFICATION OF SEASONAL AND PERENNIAL WATER SURFACE VARIATIONS OF LAKES IN THE SOUTH URAL USING REMOTE SENSING LANDSAT (PRELIMINARY RESULTS)

The article deals with the description of the morphometric features of the lakes and their watersheds in the South Ural that take a special position between the watershed of the Ural River and the internal-drainage area of Turgai lakes. The data base of the hydrographic information on the lakes using archive satellite imagery of Landsat was prepared. The long-term lake water surface variations during the period of 1985-2015 were considered and the most signiicant highwater and low-water periods were identiied. The article also includes information on the geo-ecological and socio-economic consequences of the identiied hydrological changes.

Последствия климатических изменений наиболее наглядно проявляются на водных объектах. Глобальные климатические тенденции находят отражение как в мировом влагообороте, так и в региональных и зональных изменениях водной циркуляции. В этом отношении озера и их водосборы являются наиболее уязвимой системой, таким образом могут служить индикатором воздействия климатических изменений. Следует учитывать, что устойчивость водных объектов (отклик на изменения) в различных природных зонах существенно отличается [Шнитников, 1957].

Объектом исследования являлась группа крупных плоскодонных озер, расположенных в обособленной бессточной области на восточной окраине Зауральского пенеплена и соответствующей ему обширной неоген-четвертичной аккумулятивной равнине. В региональных географических описаниях группу исследуемых озер обозначают как Светлинские озера (находятся в границах одноименного района Оренбургской области). По размерам озера дифференцируются на следующие группы:

  1. Крупные озера площадью более 50 км2 – озера Шалкар-Ега-Кара (96,6 км2), Жетыколь (50,26 км2);
  2. Средние озера (от 1 до 10 км2) – Кайранколь, Караколь, Обалыколь, Средний Обалыколь, Давленколь, Кудайколь (Суходол), Карашаколь (Каменное), Западный и Восточный Косколь, Малый Кайранколь;
  3. Малые озера (от 0,5 до 1 км2) – Батпакты, Малый Жетыколь (Горелое), Карамола (Сухое), Восточный и Западный (Заповедный) Журманколь, Талдыша, Биктас, Малый Караколь, Естькопа, Тасты-коль (рис.).

Исследований гидрографии и особенностей динамики Светлинских озер ранее не проводилось из-за отсутствия каких-либо регулярных наземных гидрологических наблюдений и сведений по морфометрическим характеристикам водосбора. Поэтому наиболее приемлемым способом изучения динамики морфометрических характеристик озер является использование многолетних данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и сопоставление параметров вариации со сведениями по стоку ближайших водотоков.

Для систематизации имеющейся информации и проведения исследования была подготовлена геоинформационная база данных по озерам и водосборной площади, которая включает следующие пространственные данные и атрибутивную информацию:

  1. Блок «Рельеф»: а) гипсометрический топографический слой (топографическая основа масштаба 1 : 25 000 по состоянию местности 2001 г.; б) цифровая модель рельефа (на основе SRTM) и ее интерпретация в виде схем экспозиции и крутизны склонов;
  2. Блок «Гидрография» по топографической основе масштаба 1:25 000 по состоянию местности 2001 г. – озера, водотоки и урезы воды;
  3. Блок «Сезонные и многолетние вариации озер»: а) архивные спутниковые снимки среднего разрешения с 1985 по 2015 г. Landsat (MSS, TM, ETM+, OLI); б) контуры озер в различные сезоны рас--

сматриваемого периода.

Рисунок Положение водосборной территории Светлинских озер

Линии урезов воды были получены путем дешифрирования снимков с использованием многоканальных водных индексов [Feyisa et al., 2014; Ke Zhai et al., 2015; Курганович, Носкова, 2015] NDWI, MNDWI, AWEI:

NDWI = b2 – b4/b2 + b4, (1)

где b2, b4 – спектральные каналы Landsat (MSS, TM, ETM+).

MNDWI = b2 – b5/b2 + b5, (2)

где b2, b4 – спектральные каналы Landsat (TM, ETM+).

AWEInsh = 4,0(b2 – b5) – (0,25b4 + 2,75b7). (3)

AWEIsh = (b1 + 2,5b2) – 1,5(b4 + b5) – 0,25b7, (4)

где b2, b4 – спектральные каналы Landsat (TM, ETM+, OLI).

Выбор водных индексов при проведении дешифрирования озер использовался дифференцированно, исходя из состава спектральных каналов в различных сценах Landsat (MSS, TM, ETM+, OLI) и состояния водного зеркала озер (зарастание поверхности озер и берегов), наличия дымки от степных пожаров, незначительной облачности и теней от облаков (менее 10 % на снимке). На основе подготовленной базы данных была получена атрибутивная информация по морфометрическим параметрам озер и их динамики.

Гидрологическая информация включала сведения о среднемноголетней норме модуля стока на территории и многолетние ряды данных расходов воды по р. Жарлы с 1942 по 2008 г. у пос. Адамовка. Водосборная площадь р. Жарлы расположена на западных склонах Урало-Тобольского плато в схожих с водосбором Светлинских озер географических условиях.

В результате первичного анализа данных космических изображений можно сделать ряд предварительных выводов.

  1. Светлинские озера имеют отчетливо выраженную в рельефе водосборную площадь и занимают переходное положение между относительно возвышенными и дренированными цокольными равнинами Южного Зауралья и аккумулятивными равнинами Тургайского прогиба. По урезам воды с севера на юг прослеживается ступенчатость в расположении озерных ванн – среднемноголетние урезы воды крупных озер Жетыколь и Шалкар-Ега-Кара составляют 305 и 298 м соответственно.

С бассейнами рек Урал и Тобол и с озерами Тургайского прогиба водосбор в многоводные периоды не имеет какой-либо гидрологической связи. Общая водосборная площадь вместе с котловинами озер по проведенным подсчетам составляет 3753 км2.

  1. Многолетней и сезонной динамике площадей озер способствует блюдцеобразная морфология озерных чаш и особенности питания озер, ограниченного преимущественно весенними талыми водами. Резкий континентальный климат с пониженным увлажнением территории обусловливает небольшие среднемноголетние нормы модуля стока до 0,5 л/с*км2.

Тектонический (остаточный) генезис озер в совокупности с длительностью их существования в аккумулятивных условиях определили округлую форму в плане большинства из них. Чаши озер с глубиной повторяют очертания урезов, что прослеживается по снимкам в маловодные периоды. Уровни наиболее длительного и постоянного положения зеркала озер образуют концентрические пояса, формирующиеся из-за различий в условиях осадконакопления и жизнедеятельности зарослей водной растительности. Пространственное распространение этих поясов достаточно отчетливо проявлено, что позволило выявить морфометрические параметры озер через построение высотного (в периоды полного высыхания) либо глубинного (в периоды многоводья) поперечного профиля. Как раз во многом из-за отсутствия элементарных фактических сведений по глубинам озер на данный момент невозможно получить достоверные результаты по водному балансу озер. К тому же в целом на такой обширной территории отсутствуют гидропосты, соответственно не проводилось каких-либо гидрологических исследований.

Более высокие уровни чаши имеют следы эрозионной деятельности, свидетельствующей об относительном временном постоянстве колебания уровня. Прибрежные склоны части крупных и средних озер имеют террасовидные уступы.

  1. Чередование периодов маловодности и многоводности может служить своеобразным индикатором годовых и многолетних тенденций в климатических условиях. За рассматриваемый период (1985–2015 гг.) отчетливо прослеживается многолетняя периодичность в водной наполняемости озерных чаш.

Выделяется два периода маловодий – 1984–1992 и 2012–2015 гг. За длительный 20-летний период полного наполнения озер отмечаются двухлетние периоды значительно более высокого уровня – 1993–1995 (сразу за маловодным периодом) и 2005–2006 гг. В весенний период 1995 и 2005 гг. уровень озер превысил среднемноголетнее значение на 2 м, в результате этого произошло затопление прибрежных территорий.

Полученные предварительные результаты по чередованию многоводных и маловодных периодов в целом соотносятся с данными по стоку р. Жарлы.

  1. В многоводные периоды (сезоны) система озер функционирует как единое целое, связь между озерами осуществляется системой ложбин стока, обеспечивающих перелив из части северных озер в оз. Шалкар-Ега-Кара. Соответственно, сезонно изменяется структура частных водосборов отдельных озер.

По спутниковым снимкам и урезам воды установлена абсолютная отметка высоты, при форсировании которой в весенний период происходит слияние озер в единый водоем. Для озера Шалкар-Ега-Кара данная отметка лежит на уровне 301 м в Балтийской системе высот.

  1. Флуктуация Светлинских озер в многолетнем и сезонном разрезе является значимым экологическим и социально-экономическим фактором.

Пересыхание озер не несет прямого ущерба населению и экономике региона, так как водные ресурсы водоемов не используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за высокой минерализации. Вместе с тем в результате пересыхания водоемов изменяется гидрологический режим водных и прибрежных ландшафтов, из-за чего, в частности, возрастает риск возникновения и распространения пожаров на прилегающих территориях. В связи с высыханием озер, повидимому, изменяется микроклиматический режим региона.

В редкие многоводные периоды наносится ущерб прибрежным селитебным территориям и сопутствующей хозяйственной инфра структуре. Затопление прибрежных территорий озер отличается продолжительностью и имеет длительные негативные последствия для сельскохозяйственных угодий.

  1. Расположение озер на важнейшем трансконтинентальном миграционном пути птиц создает условия для гнездования различных видов водной и околоводной орнитофауны умеренного пояса Евразии. Поэтому существенные вариации площади водно-озерных угодий являются фактором, определяющим степень регионального биоразнообразия и сохранность популяций мигрирующих видов орнитофауны. Следует отметить, что часть Светлинских озер охраняется в составе биологического заказника областного значения «Светлинский» общей площадью 9262,6 га.

В дальнейших исследованиях будут решаться вопросы выявления морфометрических параметров озерных чаш. Важным этапом станет сопоставление многолетних данных уровней Светлинских озер с данными по стоку р. Жарлы, а также с аналогичными исследованиями по другим бессточным областям [Шнитников, 1957; Зольников и др., 2011; Курганович, Носкова, 2015], что позволит определить характер (региональный либо глобальный) наблюдаемых вариаций.

Работа выполнена в рамках Комплексной программы Уральского отделения РАН № 15-12-5-50 по теме «Анализ антропогенных воздействий на природные геосистемы Заволжско-Уральского региона и разработка методов сохранения ландшафтного и биологического разнообразия в процессе природопользования».

Литература:

Зольников И. Д., Глушкова Н. В., Лямина В. А. и др. Индикация динамики природно-территориальных комплексов юга Западной Сибири в связи с изменениями климата // География и природные ресурсы. 2011. № 2. С. 155–160.

Курганович К. А., Носкова Е. В. Использование водных индексов для оценки изменения площадей водного зеркала степных содовых озер юговостока Забайкалья, по данным дистанционного зондирования // Вестник ЗабГУ. 2015. № 06 (121). С. 16–23.

Шнитников А. В. Озера Западной Сибири и Северного Казахстана и многовековая изменчивость увлажненности степей: Труды лаборатории озероведения АН СССР. 1957. Т. 5. 112 с.

Feyisa G. L., Meilby H., Fensholt R., Proud S. R. Automated Water Extraction Index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery // Remote Sensing of Environment. 2014. N 140. P. 23–35.

Ke Zhai, Xiaoqing Wu, Yuanwei Qin, Peipei Du. Comparison of surface water extraction performances of different classic water indices using OLI and TM imageries in different situations // Geo-spatial Information Science. 2015. 18:1. P. 32–42. doi: 10.1080/10095020.2015.1017911.


Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!