CC BY
8
УДК 502.63 DOI: 10.34736^^.2020.111.4.006.29-34
Особенности пожарного режима ильменно-бугровых ландшафтов дельты волги
Н.М. Иванов1, магистрант, vip.nikita.199@mail.ru, С.С. Шинкаренко1,2, к.с.-х.н., shinkarenkos@vfanc.ru, Н.О.К. Зарбалиева1, доцент, zarbalieva@volsu.ru -волгоградский государственный университет, г. Волгоград, Россия; 2Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН» (ФНЦ агроэкологии РАН), г. Волгоград, Россия
В статье исследуются пространственно-временные закономерности динамики выгоревших площадей ильменно-бугровых ландшафтов дельты Волги. Бугры Бэра являются уникальным природным объектом, который нуждается в охране и изучении особенностей пожарного режима. Авторами на основе архивных данных по результатам автоматического детектирования пожаров и экспертного дешифрирования космических снимков Landsat, Sentinel проведена идентификация гарей за 2001-2019 гг. На основе пространственного анализа авторами определены величины выгоревших площадей и закономерности их распространения
в течение всего исследуемого периода. Всего определено 11613 гарей на общей площади около 1 млн га. без учета повторяемости. Общая выгоревшая площадь превысила 350 тыс. га. Наиболее пожароопасными месяцами в исследуемых ландшафтах являются март и апрель, на них приходится 70% всех выгоревших площадей и 85% количества пожаров. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации мероприятий противопожарной профилактики на исследуемой территории.
Ключевые слова: ландшафтные пожары, бугры Бэра, геоинформационные технологии, дистанционное зондирование Земли.
Пожары являются одним из самых опасных природных бедствий. Огонь выступает в роли экологического фактора, сильно влияющего на растительный покров. Пирогенное воздействие является разновидностью антропогенной деятельности - намеренное выжигание растительности используется в хозяйственной деятельности. Но зачастую процесс проведения сельскохозяйственных палов выходит из-под контроля, и огонь быстро захватывает окрестные территории естественных ландшафтов. Значительно ухудшает положение несоблюдение людьми правил пожарной безопасности и безответственное поведение в обращении с огнем. Несмотря на все предпринимаемые меры по недопущению и ликвидации пожаров ситуация из года в год остается напряженной. И главной причиной такого положения является несомненный рост антропогенной нагрузки [4].
Очень важным аспектом ландшафтных исследований является установление пространственных и временных закономерностей динамики выгоревших площадей. Для дельты Волги, включая территории ильменно-бугровых ландшафтов, является весьма актуальной проблема катастрофических последствий от пожаров, произошедших как по естественным причинам, так и в результате антропогенной деятельности. Лесным пожарам посвящается достаточно много исследований [1], травяные пожары изучены хуже, а пожарам в ин-тразональных ландшафтах речных долин уделяется еще меньше внимания исследователей [8].
Объектом данного исследования стали природные пожары, произошедшие в так называемом ильменно-бугровом районе, представленном
совокупностью вытянутых в широтном направлении бэровских бугров с ильменными понижениями между ними [5] в западной и восточной частях дельты Волги. Их площадь ориентировочно ограничивается устьями рек Кумы и Эмбы. Бэров-ские бугры (или бугры Бэра) представляют собой параллельные песчаные или супесчаные гряды субширотного направления. Названы так в честь академика К. М. Бэра, впервые описавшего данные формы рельефа [2]. Примечательным фактом является то, что термин «бугор» для них не совсем корректен, так как в большей части рельеф представляет собой гряды разной протяженности, и лишь в редких случаях наблюдаются овальные формы [6]. Характерной чертой является наличие межбугровых понижений, залитых водой. Такое нетипичное сочетание образует абсолютно уникальный ильменно-бугровой ландшафт. В настоящее время гидрологический режим этих водоемов практически полностью антропогенно изменен и регулируется гидротехническими сооружениями. В условиях снижения водности Волги ильмени не получают достаточного питания, из-за чего обсыхают летом, что ведет к усыханию околоводной растительности [10]. В результате образуется мор-тмасса, которая легко воспламеняется в условиях жаркого и сухого климата.
Многие ученые неоднократно указывали на экологическую уязвимость бугровых ланшаф-тов. По некоторым оценкам в настоящее время эти ландшафты являются фактически одними из наименее устойчивых экосистем дельты Волги [10]. С каждым годом наблюдается усиление хозяйственной деятельности, проявляющееся в ме-
ханическом разрушении бугров, - выкапывание карьеров, использование территорий в качестве пастбищ и сенокосов. Помимо этих отрицательных тенденций на Бэровские бугры приходится огромное количество пожаров, полностью уничтожающих растительный покров. На бугристых песках в южной части Астраханской области преобладают эфемерно-полынные сообщества. В целом обилие эфемеров приводит к накоплению достаточного количества мортмассы [7]. Также повышенной горимостью характеризуется водно-болотная растительность ильменей. Например, заросли тростника могут выгорать каждый год, поскольку тростник, сгоревший весной, восстанавливается в течение вегетационного сезона.
Как известно, огонь возникает при одновременном наличии нескольких составляющих: горючего топлива, окислителя, источника тепла и благоприятных для возгорания внешних условий. Сухая мортмасса представляет собой легко воспламеняемый материал, и при высокой плотности покрытия в кратчайшие сроки может увеличиться площадь даже незначительного возгорания. Немаловажным фактором является деятельность ветра, где направленный поток кислорода выступает в роли окислителя. Высокая температура, атмосферная засушливость, сильные ветры оказывают влияние на частоту и интенсивность возникновения пожаров. В климатическом отношении вся область подстепных ильменей является полупустыней с характерно малым количеством атмосферных осадков (не более 180 мм в год), выпадающих летом в виде кратковременных ливней [9].
Материалы и методика исследований. Общая схема проведенных в ходе исследования работ заключается в получении необходимых данных из открытых источников, предварительной их обработке и использовании при векторизации выгоревших площадей. Принципиально все типы данных можно разделить на 3 группы [1]:
1) Данные активных очагов горения;
2) Данные выгоревших площадей;
3) Космические снимки среднего и высокого разрешения;
Первые два типа использовались как средства дополнительной верификации при дешифрировании космических снимков. В качестве данных активных очагов горения были взяты термоточки MODIS и VIIRS.
Данные MODIS имеют временной охват с ноября 2000 года (для платформы Terra) и с июля 2002 года (для Aqua). Пространственное разрешение MODIS составляет 1 км.
Продукт VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) обладает улучшенными характеристиками по сравнению с датчиками MODIS. В частности, это касается более высокого пространственного разрешения (375 м). Данный спектрорадиометр был выпущен на орбиту 28 октября 2011 г [3].
Несмотря на более точные данные продукта
VIIRS при общем анализе термоточек использовались данные очагов активного горения MODIS, так как в этом продукте охватывается весь период исследований - 2001-2019 гг.
Для дополнительной верификации помимо термоточек использовались данные выгоревших площадей MCD64A1, предоставляемые Мэриленд-ским университетом в формате shapeи GeoTIFF. Разрешение у данного продукта составляет 500 метров, и эта особенность значительно снижает точность автоматического детектирования выгоревшей растительности. Для повышения точности верификации гарей также использовался продукт выгоревших площадей Европейского космического агентства FireCCI51 с пространственным разрешением 250 м. Многие из гарей пропускаются этими алгоритмами, а бывают и случаи «ложных срабатываний», когда алгоритм идентификации гарей реагирует, к примеру, на селитебные территории или водную поверхность.
При дешифрировании гарей использовались RGB композиты Landsat-5, -7, -8, а также Sentinel-2 (с 2016 по 2019 гг.). В ходе работы наблюдалась острая нехватка безоблачных космоснимков, связанная с особенностями покрытия территории (рис. 1). На некоторые месяцы не было найдено ни одного безоблачного космоснимка. В таких случаях приходилось пользоваться космическими снимками MODIS среднего пространственного разрешения (250 м). Эти данные хоть и обновляются ежедневно, но не являются желаемым средством решения проблемы ввиду низкого разрешения. Также в крайних случаях при наличии большой области, закрытой облаками, к слоям добавлялись композиты FireCCI51за конкретный период.
Результаты и обсуждение. Всего за исследуемый промежуток времени на территории подстепных ильменей было зафиксировано15280 термоточек MODIS. В ходе геоинформационного анализа было выявлено, что наибольшее число термоточек приходится на 2015 год - 2610 штук. В 2011, 2012 и 2014 году их количество было больше 1000 и составило 1110, 1634 и 1040 термоточек соответственно. В распределении по десятилетиям с 2010 по 2019 было выявлено 9586 термоточек (против 5694 за 2001-2010).
Говоря о показателях активных очагов горения важно иметь в виду, что несколько термоточек могут относиться к одному и тому же возгоранию. Таким образом, количество термоточек не является прямым показателем количества пожаров, а только косвенно характеризует горимость. Главной задачей в работе с данными активных очагов горения было построение распределения термоточек по месяцам с целью выявления наиболее пожароопасных периодов, для того чтобы подобрать спутниковые данные для дешифрирования на это время. Наибольшая доля пожаров приходится на весенние и осенние месяцы (рис. 2). Соответственно, исходя из получившегося распределения подбирались подходящие космические
снимки. Были использованы снимки за март-май и август-октябрь. На мартовских изображениях видны последствия пожаров, которые произошли
в феврале. Также на ранних майских снимках были отражены выгоревшие площади, пожары на которых еще действовали в конце апреля.
Условные обозначения
^ Граница района исследования Щ Внутренняя часть дельты I | Покрытие космоснимков I агкЫТ \//\ Зона перекрьршя космоснимков
Рисунок 1 - Особенности покрытия района исследования космоснимками Landsat
35 30 25 20 15 10
Доля, %
<VV
4? # Ж
* J
£
* с/ о **
Рисунок 2 - Распределение термоточек MODIS по месяцам
По итогам визуального экспертного дешифрирования и картографирования выгоревших площадей был получен векторный геоинформационный слой, включающийза период с 2001 по 2019 годы 11613 гарей (рис. 3), из которых 8685 пришлось на западную часть бугровых ландшафтов и 2928 - на восточную (относительно «внутренней» дельты Волги), включая участок дельты к востоку
от р. Кигач. В целом распределение гарей по форме и размерам соответствует геоморфологическим особенностям территории. Западная часть ильменно-бугрового района более сильно изрезана ильменями, соответственно гари здесь имеют вытянутую форму, т.к. расположены вдоль протянувшихся в широтном направлении ильменей. В восточной части исследуемого района непосредст-
венно к ильменям с юга примыкают тростниковые но проходятся огнем. В результате здесь сосредо-ландшафты авандельты, которые беспрепятствен- точены гари огромных размеров.
Рисунок 3 - Пространственно-временное распределение пожаров на территории дельты Волги
В ходе работы также были посчитаны площа-
Наибольшие площади выгорания выявлены в
ди гарей за каждый год отдельно для западной и 2019 году (132,6 тыс. га). В 2015 и 2012 году пло-восточной части района исследования. Результаты щади составили 103,7 тыс. га и 103,3 тыс. га соот-представлены на рисунке 4. ветственно.
140
120
100
80
60
40
20
Площадь, тыс. га
¡В1|вШ
ш
2001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019
■ Западная часть □ Восточная часть
Рисунок 4 - Динамика площадей пожаров за 2001-2019 гг.
Распределение площадей и числа пожаров по наиболее пожароопасным месяцам представлено на диаграмме (рис. 5). Можно отметить, что соотношение
Выводы. За период 2001-2019 гг. огнем затронута значительная территория ильменно-бугрового района. Наибольшее выгорание приходится на весенние месяцы (март и апрель). В мае наблюдается спад количества пожаров в связи с затоплением дельты и началом активной вегетации растений.
Площадь гарей на территории изучаемых ландшафтов с 2001 по 2019 г. составила 935,6 тыс. га (без учета повторяемости). Общая площадь сгоревшей растительности за этот период составила 353,6 тыс. га.
По полученной карте распределения всех гарей видны различия средней величины площадей пожаров - в восточной части района исследования пожары заметно крупнее, чем в западной, что напрямую связано с особенностями ландшафтов. В восточной части дельты Волги к межбугровым понижениям непосредственно примыкают участки водно-болотных угодий авандельты.
Результаты пространственно-временного анализа выгоревших площадей позволят оптимизировать противопожарную профилактику в регионе и принять срочные меры, где это необходимо.
Литература:
1. Барталев С.А., Егоров В.А., Ефремов В.Ю., Лупян Е.А., Стыценко Ф.В., Флитман Е.В. Оценка площади пожаров на основе комплексирования спутниковых данных различного пространственного разрешения MODIS и Landsat-TM/ETM+ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - Т.9. - №2. - С. 9-26.
2. Головачев И.В. О буграх Бэра и их происхождении // Геология, география и глобальная энергия. - 2017. -
площадей, выгоревших за каждый месяц территорий в течение исследуемого периода, в целом совпадает с соответствующим количеством термоточек.
Т.67. - № 4. - С. 139-149.
3. Дворкин Б.А. Новый спутник NPP продолжит комплексное наблюдение за Землей // Геоматика. - 2011.
- №4. - С. 26-34.
4. Дымова Т.В. Особенности восстановления растительного покрова после пожара у подножий бугра Бэра, расположенного на территории приволжского района Астраханской области// Грамота. - 2008. - Т.18. - №11.
- С. 57-58.
5. Свиточ А.А., Клювиткина Т.С. Бэровские бугры Нижнего Поволжья (Ст. 1. Морфология, распространение и строение) // Геоморфология. - 2007 - № 3. - С. 92-105.
6. Свиточ А.А., Клювиткина Т.С. Бэровские бугры Нижнего Поволжья (Ст. 2. Происхождение Бэровских бугров) // Геоморфология. - 2008 - № 1. - С. 72-86.
7. Шинкаренко С.С. Оценка динамики площадей степных пожаров в Астраханской области // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2018. - Т.15. - № 1. - С. 138-146.
8. Шинкаренко С.С. Пожарный режим ландшафтов Северного Прикаспия по данным очагов активного горения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2019. - Т.16. - № 1. - С. 121-133.
9. Яковлева Л.В. Почвенный покров бугровых ландшафтов дельты Волги // Сб. трудов конференции-2015. -Томск: Национальный исследовательский Томский государственный университет. - С. 476-479.
10. Kuzmina Zh.V., Treshkin S.E., Shinkarenko S.S. Effects of River Control and Climate Changes on the Dynamics of the Terrestrial Ecosystems of the Lower Volga Region // Arid Ecosystems. - 2018. - V. 8. - № 4. - P. 231-244.
400 350 300 250 200 150 100 50 0
Площадь, тыс. га
Количество, тыс. шт.
7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
Март Апрель Май Август Сентябрь Октябрь
□ Площадь (восток) ш Площадь (запад) в Количество (восток) ■ Количество (запад)
Рисунок 5 - Распределение площадей и количества гарей по месяцам с 2001 по 2019 г.
The Fire Regime Features of the Volga Delta Hilly Landscapes
N.M. Ivanov1, master student, vip.nikita.199@mail.ru, S.S. Shinkarenko1,2, K.S-Kh.N., shinkarenkos@vfanc.ru, N.O.K. Zarbalieva1, docent, zarbalieva@volsu.ru -1Volgograd State University, Volgograd, Russia 2Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS), Volgograd, Russia
The article presents the spatio-temporal patterns of the burnt areas dynamics on the Volga delta hilly landscapes. The Baer hillocks are a unique natural object that needs an increase in the number of firefighting measures. On the archival data on the automatic fire detection results and expert decoding of Landsat and Sentinel satellite images basis, the authors identified the fires for 2001-2019. The authors determined the burnt areas values and their distribution during the entire study period patterns on the basis of spatial analysis. A total of 11,613 burnt areas were identified with a total area of about 1 million hectares, excluding recurrence. The total burned-out area exceeded 350 thousand hectares. The most fire hazardous months in the studied landscapes are March and April, which account for 70% of all burned-out areas and 85% of the fires number. The obtained results can be used to optimize fire prevention measures in the study area.
Keywords: landscape fires, Baer hillocks, geoinformation technologies, remote sensing
Translation of Russian References:
1. Bartalev S.A., Yegorov V.A., Yefremov V.YU., Lupyan Ye.A., Stytsenko F.V., Flitman Ye.V. Otsenka ploshchadi pozharov na osnove kompleksirovaniya sputnikovykh dannykh razlichnogo prostranstvennogo razresheniya MODIS i Landsat-TM/ETM+ [The fire area assessment on the integration of satellite data of different spatial resolution MODIS and Landsat-TM / ETM+ basis] // Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Contemporary problems of remote sensing of the Earth from space]. - 2012. - Vol.9. - # 2. - P. 9-26.
2. Golovachev I.V. O bugrakh Bera i ikh proiskhozhdenii [About Baer's hillocks and their origin] // Geologiya, geografiya i global'naya energiya [Geology, geography and global energy]. - 2017. - Vol. 67. - # 4. - P. 139-149.
3. Dvorkin B.A. Novyy sputnik NPP prodolzhit
kompleksnoye nablyudeniye za Zemley [The new NPP satellite will continue comprehensive Earth observation ] // Geomatika. - 2011. - # 4. - P. 26-34.
4. Dymova T.V. Osobennosti vosstanovleniya rasti-tel'nogo pokrova posle pozhara u podnozhiy bugra Bera, raspolozhennogo na territorii privolzhskogo rayona Astrakhanskoy oblasti [Vegetation restoration features after a fire at the foot of the Baer's hillock, located in the Privolzhsky district of the Astrakhan region]// Charter. -2008. - Vol. 18. - # 11. - P. 57-58.
5. Svitoch A.A., Klyuvitkina T.S. Berovskiye bugry Nizhnego Povolzh'ya (St. 1. Morfologiya, rasprostraneniye i stroyeniye) [Baer's hillocks of the Lower Volga region (Article 1. Morphology, distribution and structure)] // Geomorfologiya.[Geomorphology]. - 2007. - # 3. - P. 92-105.
6. Svitoch A.A., Klyuvitkina T.S. Berovskiye bugry Nizhnego Povolzh'ya (St. 2. Proiskhozhdeniye Berovskikh bugrov) [Baer's hillocks of the Lower Volga region (Article 2. Baer's hillocks origin)] // Geomorfologiya. [Geomorphology]. -2008 - # 1. - P. 72-86.
7. Shinkarenko S.S. Otsenka dinamiki ploshchadey stepnykh pozharov v Astrakhanskoy oblasti [Steppe fire areas dynamics assessment in the Astrakhan region]// Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Contemporary problems of remote sensing of the Earth from space]. - 2018. - Vol. 15. - # 1. - P. 138-146.
8. Shinkarenko S.S. Pozharnyy rezhim landshaftov Severnogo Prikaspiya po dannym ochagov aktivnogo goreniya [The fire regime of Northern Caspian region landscapes according to the active burning centers data] // Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Contemporary problems of remote sensing of the Earth from space]. - 2019. - Vol. 16. - # 1. - P. 121-133.
9. Yakovleva L.V. Pochvennyy pokrov bugrovykh land-shaftov del'ty Volgi [Soil cover of the Volga Delta hill landscapes] // Sb. trudov konferentsii - 2015 [Proceedings of the conference -2015]. - Tomsk: Natsional'nyy issledovatel'skiy Tomskiy gosudarstvennyy universitet [Tomsk: National Research Tomsk State University]. - P. 476-479.
