CC BY
63
2017, Т. 159, кн. 1 С.139-151
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
ISSN 2542-064X (Print) ISSN 2500-218X (Online)
УДК 910.26:528.77
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОЛГИ НА ДИНАМИКУ ЗАТОПЛЕНИЯ ОСТРОВА САРПИНСКИЙ
А.С. Рулев, С.С. Шинкаренко, О.Ю. Кошелева
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН, г. Волгоград, 400062, Россия
Аннотация
В статье представлены результаты исследования процесса затопления и его сезонной динамики на острове Сарпинский (город Волгоград). Площадь затопления территории острова оценивалась по разновременным космическим снимкам Landsat с пространственным разрешением 30 м. Установлено, что при существующих объемах сброса Волжской ГЭС во время паводка прямой угрозы объектам инфраструктуры на острове Сарпинский нет. Рассчитаны площади ареалов затопления на острове на дату пика половодья (апрель - май) в период с 1985 по 2016 г. Выявлены фазы прохождения весеннего половодья, обусловленные рельефом острова и характером сброса воды Волжской ГЭС. Выход кривой площади затопления «на плато» после того, как сброс воды достигает 11-12 км3, связан с первоначальным заполнением аккумулятивных емкостей на пойме (понижений рельефа) в глубину без увеличения площади затопления. Сдвиг на 10-15 дней между максимумами расхода воды и площади затопления объясняется постепенным заполнением пойменных резервуаров на острове Сарпинский после начала сброса воды на ГЭС.
Ключевые слова: остров Сарпинский, Волго-Ахтубинская пойма, Волжская ГЭС, гидрологический режим, половодье, площадь затопления, сезонная динамика, Landsat
Введение
Гидрологический режим такой крупной реки, как Волга, является ключевым фактором развития её островных и прибрежных территорий. Он обусловливает существование пойменных экосистем, определяя режим функционирования, состав и состояние как биологических объектов, так и объектов социальной инфраструктуры. После введения в эксплуатацию Волжско-Камского каскада водохранилищ произошло изменение гидрологического режима Нижней Волги, в наибольшей степени затронувшее фазу половодья [1]. Отследить влияние гидрологического режима на геоэкологическую ситуацию различных территорий в последние десятилетия стало возможным благодаря методам аэрофото-и космической съемки Земли, чему посвящено много исследований [2-7]. Несмотря на это, чрезвычайно важным для практики остается решение задачи расчета и прогноза площадей затопления в период половодья [8-10], во-первых, для предупреждения и защиты от наводнений и маловодий и, во-вторых, для запрещения строительства и размещения иных объектов инфраструктуры (кладбищ, скотомогильников и пр.) на потенциально затопляемых участках.
Система островов Сарпинский, Голодный и Спорный (далее - остров Сар-пинский), являясь самой большой островной системой на реке Волге, как раз относится к регулярно затапливаемым территориям. Остров Сарпинский с южной и западной сторон омывается коренным судоходным руслом Волги, с северной - её рукавом Воложкой Куропаткой. Острова Голодный и Сарпинский разделены воложкой Щучий проран, Сарпинский и Спорный - затоном Са-клинский. Имея достаточно большую площадь (около 120 км ), острова являются своеобразным природным «буфером» между крупным промышленным городом и уникальными пойменными экосистемами Волго-Ахтубинской поймы, располагаясь на пути воздушных потоков, несущих вредные промышленные выбросы с волгоградских предприятий, а также оттягивая на себя часть рекреационной нагрузки. Одним из главных богатств острова являются дубравы, которые вместе с дубравами Волго-Ахтубинской поймы образуют южный форпост дуба черешчатого (Quercus robur) на юго-востоке Европы. Дуб не выносит длительного паводка, но и избегает сухих почв, поэтому дубовые рощи приурочены к склонам и вершинам невысоких грив с зернистыми дерново-луговыми почвами. Помимо дуба здесь произрастают тополь черный (Populus nigra) и белый (P. alba), осина (P. trémula), ива белая (Salix alba), вяз гладкий (Ulmus laevis), клен татарский (Acer tataricum) и другие древесно-кустарниковые породы.
Между тем острова уже включены в административные границы г. Волгограда, что в будущем может повлечь за собой еще более интенсивное строительное и рекреационное освоение их территории [11]. Сейчас на острове Сарпинский расположены села и хутора с численностью населения около 800 человек, свыше 5 тыс. садоводческих участков, где в весенний период может находиться еще до 5 тыс. человек, а также функционирует несколько баз отдыха. На острове Голодный находятся городские очистные сооружения Волгограда. Для этих объектов существует постоянная угроза подтопления во время весеннего половодья. Так, сильнейший паводок случился в 1991 г., во время которого были сильно подтоплены острова Сарпинский и Голодный, а также левобережная сторона Волги в районе Краснослободска.
Несмотря на то что остров Сарпинский административно относится к черте г. Волгограда, по своим природно-климатическим характеристикам он является частью Волго-Ахтубинской поймы, её северо-западной оконечностью. Поэтому прогноз максимально возможных величин поднятия уровня и площади затопляемых земель, апробированный для острова Сарпинский, будет актуален и для любой части Волго-Ахтубинской поймы.
Материалы и методы исследования
Использование космических снимков высокого пространственного разрешения в реальном масштабе времени связано с планированием заказа съемок и большими финансовыми затратами [10], поэтому в настоящей работе применены архивные мультиспектральные космические снимки Landsat 5 TM, 7 ETM+, 8 OLI с 1985 по 2016 г. Выбор источника данных обусловлен достаточным для определения положения урезов воды пространственным разрешением в 30 м (15 м для панхроматического канала) и наличием в свободном доступе на сайте Геологической службы США [12]. Другие доступные данные (например, с радиометра
MODIS) не подходят для целей исследования из-за низкого пространственного разрешения, несмотря на высокое временное разрешение. Даты съемки подбирались максимально близкими ко времени пиков половодья на Нижней Волге -первая и вторая декады мая. В этот период часто наблюдается плотная облачность, из-за чего ряд лет не охвачен исследованием, так как отсутствуют снимки, на которых остров не закрыт облаками.
Атмосферная коррекция выполнена в программном комплексе ENVI по алгоритму FLAASH. Водные объекты выделялись неуправляемой классификацией красного и ближнего инфракрасного каналов (3-й и 4-й каналы Landsat 5, 7; 4-й и 5-й каналы Landsat 8) по алгоритму ISODATA в ENVI. После векторизации полигональные объекты загружались в QGIS 2.14, где корректировались границы объектов, исходя из визуального контроля по панхроматическому каналу и цветовому RGB-композиту 3-го, 2-го и 1-го каналов Landsat 5, 7 (4-го, 3-го и 2-го каналов Landsat 8) и рассчитывались площади затопления. Статистический анализ произведен в Microsoft Office Excel 2007.
Значения расходов на Волжской ГЭС приведены по данным открытой печати [1, 13, 14] и официального сайта ОАО «РусГидро» [15]. Отметим, что данные РусГидро могут отличаться от реальных расходов на величину до 10% [14].
Результаты и их обсуждение
Гидрологический режим Нижней Волги в период половодья играет определяющую роль в сохранении уникальных экосистем острова Сарпинский и Волго-Ахтубинской поймы. Однако зарегулирование Нижней Волги камскими и нижневолжскими плотинами, в 50-60-е годы XX в. оказало заметное влияние на гидрологический режим реки и привело к существенному межсезонному перераспределению стока. В зарегулированных условиях объем стока за апрель -июль (половодье) уменьшился на 28% по сравнению с периодом до зарегулирования (1881-1960 гг.), а объем стока за декабрь - март (зимняя межень) вырос более чем в 2 раза. В новых условиях продолжительность паводкового периода составила в среднем 50-60 дней против 95 дней до зарегулирования стока. Основное сокращение произошло на фазе подъема половодья, продолжительность которой уменьшилась практически в 2 раза. В среднем на 12 дней уменьшилась также продолжительность фазы спада половодья. Искусственное сокращение фазы подъема половодья и, как следствие, практически двукратное увеличение скорости подъема уровня воды, привело к значительному сокращению продолжительности периода затопления и стояния высоких вод на пойменных территориях Нижней Волги [1, 14].
Наиболее благоприятным временем для Волго-Ахтубинской поймы был период с 1984 по 1995 г., когда максимальные расходы воды в среднем составляли около 27-28 тыс. м /с. Начиная с 2005 г. по настоящее время максимальные расходы воды в среднем стали составлять 20,8 тыс. м3/с. В 2015 г. максимальные расходы воды снизились до 16 тыс. м/с. Дата начала самого раннего половодья была зафиксирована 11 апреля 2007 г, а самого позднего -28 апреля 2006 г. [14].
На рис. 1 одновременно отображены минимальная и максимальная площади затопления за 30-летний период с 1985 по 2016 г. Минимальной площадь
Рис. 1. Максимальные и минимальные площади затопления острова Сарпинский (min -
2015 г., max - 2010 г.)
затопления была в 2015 г., когда отмечался минимальный расход 16 тыс. м3/с. Максимальная площадь затопления была отмечена в 2010 г. при расходе 27 тыс. м /с.
Как при минимальных, так и при максимальных расходах воды в первую очередь увеличиваются протоки, непосредственно связанные с основным руслом Волги: Щучий проран и затон Саклинский. Не пересыхающими даже при минимальном расходе остаются крупные озера на острове Сарпинском: Большое Сенное, Таловое, Дружина и др., которые только изменяют свою береговую линию.
В год, когда была отмечена максимальная площадь затопления, граница водного зеркала вплотную приблизилась к населенным пунктам Зайчики, 2-я и 3-я Песчаная, Волгострой, а также дачным участкам на северо-восточном берегу острова Сарпинский, выходящим на протоку Воложка Куропатка. Каждый год на этом берегу намываются великолепные песчаные пляжи, недаром здесь расположены сразу три турбазы, которые тоже оказались у «кромки» ареала затопления. Аналогичная ситуация сложилась и на юго-западном побережье острова Сарпинский, где близко к берегу расположены населенные пункты Бе-кетовский Перекат, Павловский и Крестовый. На острове Голодный близко к краю зоны затопления оказались база отдыха «Островная» и городские очистные сооружения.
В табл. 1 представлена информация о половодьях за период с 1985 по
2016 г. Площадь затопления острова Сарпинский рассчитана по космическим снимкам указанной даты съемки.
Табл. 1
Сведения о половодьях на Нижней Волге, даты космических снимков и площади затопления на острове Сарпинском
Год Дата снимка Дата начала пика половодья Площадь затопления, км2 Максимальный расход, тыс. м3/с
1985 15 мая 8-14 мая 52.9 28.1
1986 25 мая 30 апреля 28.5 28.1
1988 8 мая 3-4 мая 35.3 28.0
1989 26 мая 4-8 мая 20.2 26.1
1990 13 мая 10 мая 27.7 26.5
1993 21 мая 8-10 мая 38.9 28.1
1994 24 мая 9 мая 23.9 28.1
1995 17 мая 23 мая 33.8 28.0
1996 24 мая 18-21 мая 22.7 24.0
1998 22 мая 15 мая 48.3 26.2
2000 17 мая 13 мая 31.8 26.0
2001 29 мая 15 мая 52.6 28.0
2003 25 мая 21 мая 34.2 26.0
2007 19 мая 18 апреля 40.1 25.9
2009 17 мая 29 апреля 26.0 26.5
2010 11 мая 4 мая 52.9 27.0
2013 12 мая 24 апреля 32.3 26.0
2014 15 мая 5 мая 26.1 26.0
2015 25 мая 9 мая 15.4 16.0
2016 12 мая 27 апреля 41.5 27.0
Из таблицы сразу можно увидеть несоответствие расходов воды и площади затопления по годам, что обусловлено удачностью/неудачностью подбора снимков, по которым считалась площадь затопления. Так, в 1985 г. при пиковом половодье в районе 14 мая подобранный снимок на 15 мая позволил установить и большую площадь затопления земель острова. В 1986 г. подобрать снимок на дату, соответствующую пику половодья, не удалось. Дата снимка отличается от даты пика на 25 дней, соответственно и площадь затопления при расходе, аналогичном 1985 г. (28.1 тыс. м3/с), в 1.9 раз меньше, так как половодье уже пошло на спад. В ходе дальнейшей сортировки снимков для работы были отобраны спутниковые снимки, полученные не позднее чем за 7-10 дней от начала пиковых сбросов на ГЭС. Это оказались снимки за 8 лет - на 1985, 1988, 1990, 1998, 2000, 2001, 2003 и 2010 гг. На наш взгляд, они отражают наиболее актуальную картину взаимосвязи расходов и площадей затопления. Остальные снимки не подходят для объективной оценки процессов затопления.
Площадь затопления на снимке определяется величиной сброса с начала пика половодья до момента съемки, который можно рассчитать по формуле:
V = Д^Ю-6,
где V - объем сброса, км3; Д^ - период от начала пика половодья до даты снимка, с; Q - расход воды, тыс. м3/с.
Рис. 2. Связь объемов сброса на Волжской ГЭС с площадями затопления на острове Сарпинский
Кривая связи объемов сброса с площадями затопления на острове Сарпин-ский аппроксимируется сигмоидой (рис. 2):
5 =
- 23.2
1 + 7.28-10-6 -149
+ 53,
где 5 - площадь затопления, км2; В2 = 0.74.
Как видно из рисунка, при увеличении объемов сброса до 11-12 км3 площадь затопления возрастает до 50-53 км , включая в первую очередь прибрежные территории, а также внутренние участки острова, прилегающие к водным объектам (озерам, ерикам). После того как объем сброса превышает 11 км3, дальнейшего увеличения площади затопления не происходит - кривая «выходит на плато», что связано с особенностями рельефа острова Сарпинский и характером половодья.
Наиболее важной особенностью рельефа острова Сарпинского является че-респолосность его характерных элементов. Прибрежные участки представляют собой либо обрывы подмываемых берегов, либо пляжи намываемых. Внутренняя часть острова изобилует большим количеством грив, межгривных понижений, временных проток, озер и ериков. Разница в отметках составляет 0.8-1.5 м для пониженных массивов и 1.5-5.0 м для плоских и гривистых возвышений.
В начале фазы подъема половодья затопление происходит снизу, так как водой покрываются самые низкие части поймы, открывающиеся к основному руслу. Только после накопления воды в понижениях начинает осуществляться перелив воды через верхние бровки грив, что приводит к затоплению аккумулятивных емкостей (межгривных понижений, стариц и т. д.) в центральной части острова, не имеющих прямой связи с основным руслом. Помимо фронтального перелива воды через бровки проток прямой поток также может проникать из русла в центральную часть острова через понижения (ложбины) в прирусловой части поймы, так называемые «прорывы» [3, 16]. Аккумуляция воды происходит не только в пойменных емкостях, но и в сложной системе проток. В многоводные годы в период затопления емкостей разница в отметках уровней
Рис. 3. Визуализация площадей затопления, 2013 г., цветовой композит Landsat 8: а -17.04; б - 12.05; в - 04.06; г - 06.07; д - 16.08; е - 06.12
между основным руслом и протокой на пойме увеличивается за счет того, что часть воды, поступающей в протоку, уходит на заполнение пойменных емкостей, в то время как из основного русла на пойму вода попасть не может ввиду высоких прирусловых валов. С момента, когда вода из основного русла поступает в центральную часть острова, разница в отметках уровней на основном русле и протоках поймы уменьшается. Таким образом, затопление аккумулятивных емкостей до некоторого времени сдерживает дальнейший рост уровня воды, с чем связано явление «выхода на плато» кривой площади затопления на острове Сар-пинский. На следующем этапе [4] должно произойти сквозное движение воды по пойме и интенсивность подъема уровня воды должна снова возрасти из-за выравнивания перепада уровня воды между основным руслом и поймой. Однако этого не происходит в силу искусственного регулирования режима половодья. К моменту достижения фазы сквозного движения воды по пойме Волжская ГЭС заканчивает сброс, и уровень поступившей на пойму воды начинает понижаться.
На рис. 3 представлены снимки, отражающие изменение площади водного зеркала на острове Сарпинский в течение 2013 г. Непосредственно половодье зафиксировано на космических снимках мая - июня, хотя уже на апрельском снимке четко видны Щучий проран и затон Саклинский. На августовском снимке эти протоки едва различимы, особенно Щучий проран, отделяющий остров Голодный от острова Сарпинский.
Проследив изменение площади затопления территории острова Сарпинский в течение года, можно получить картину сезонной динамики площади водного зеркала и связать её с ежегодными расходами на Волжской ГЭС. Такая работа была проделана по космическим снимкам за 4 года - с 2013 по 2016 г. (рис. 4).
б) г)
-♦■Площадь штоилснмн —Расход
Рис. 4. Сезонная динамика площадей водного зеркала и расходов на Волжской ГЭС: а -2013 г.; б - 2014 г.; б - 2015 г.; г - 2016 г.
На графиках отчетливо видны пик половодья и соответствующий ему пик площади затопления острова Сарпинский в мае - июне. Однако между ними заметен некоторый сдвиг, который колеблется от 10-15 до 30 дней. В целом это расхождение во времени между пиковым половодьем и затоплением территории острова связано с уже описанными выше фазами затопления поймы, когда сброс воды на ГЭС приводит к первоначальному затоплению аккумулятивных емкостей (понижений рельефа) в глубину без увеличения площади затопления, то есть разлива. А к тому моменту, когда происходит разлив, расходы воды на Волжской ГЭС уже начинают сокращаться. Этим объясняется также кратковременный пиковый, характер максимума площади водного зеркала, который держится 3-5 дней и вслед за расходами идет на убыль.
Таким образом, заполнение малых водоемов острова (озера, ерики, протоки) существенно зависит не только от объемов сброса воды на Волжской ГЭС, но и от времени проведения и продолжительности сброса. Так, для 2016 г. наблюдается минимальный сдвиг в графике, который можно объяснить резким подъемом воды из-за быстрого, большого и относительно длительного сброса на ГЭС, за счет которого все аккумулятивные емкости на острове Сарпинский очень быстро заполнились водой. Как отмечено на официальном сайте РусГидро [15], объем сброса Волжской ГЭС в период весеннего половодья 2016 г. превысил среднемноголетние значения на 20%. В низовья Волги поступило 127 км , что почти вдвое превысило показатели маловодного 2015 г. (65.5 км3).
Необходимо учитывать и тот факт, что дата космического снимка, по которому проводился расчет площади водного зеркала, немного отличается от даты пика половодья (на 10-18 дней), что также может влиять на сдвиги максимумов кривых площади затопления и расходов на Волжской ГЭС.
После того как расходы снижаются до 10 тыс. м /с, за счет процессов испарения и инфильтрации площадь водоемов примерно на 160-й-180-й день (середина - конец июня) начинает уменьшаться до меженного уровня. В дальнейшем за счет увеличения осенне-зимних сбросов на ГЭС возможно небольшое увеличение площади водотоков на острове, которое, однако, не носит характер затопления.
Заключение
Современные программы обработки космических снимков позволяют точно провести границу раздела вода - суша, вследствие чего появляется возможность оперативной оценки территории затопления во время паводка. Остров Сарпинский как раз является одним из наиболее паводкоопасных участков, входящих в административные границы г. Волгограда.
Применение общедоступных данных (архивных космических снимков и данных о расходах воды на Волжской ГЭС) для оценки влияния гидрологического режима Волги на сезонную динамику затопления острова Сарпинский позволило установить следующее.
При работе с архивами космической информации Landsat следует подбирать снимки, дата съемки которых не отличается от даты пика половодья более чем на 7-10 дней, в противном случае объективная картина процесса затопления будет не отражена.
Процесс обводнения острова Сарпинский во время весеннего половодья при существующих объемах и сроках сброса воды на Волжской ГЭС проходит только первые фазы затопления - наполнение водой низких частей поймы, имеющих связь с основным руслом Волги, и аккумуляцию воды в пойменных понижениях. После этого за счет прекращения сбросов на ГЭС наступает фаза убывания воды, тем самым практически минуется стадия сквозного движения воды в пойме.
Максимальная площадь затопления острова Сарпинский за период с 1985 по 2016 г. составила около 53 км2 (44.2% территории острова). Как правило, это соответствует расходу воды 28 тыс. м3/с. При таком расходе не происходит экстремального затопления населенных пунктов и большинства дачных участков. При сбросах более 29 тыс. м /с или в случае аварийных сбросов может возникнуть более серьезная угроза затопления территории острова, что необходимо учитывать как при управлении режимами попуска воды через плотину Волжской ГЭС, так и при градостроительном планировании.
Благодарности. Работа выполнена по теме Госзадания № 0713-2016-0504 ФНЦ агроэкологии РАН.
Литература
1. Шумоеа H.A. Изменение экологически значимых параметров гидрологического режима Нижней Волги при зарегулировании стока // Аридные экосистемы. - 2014. -Т. 20, № 3. - C. 33-47.
2. Борщ C.B., Самсоное Т.Е., Cuмоное ЮЛ., Льеоеская E.A. Визуализация гидрологической обстановки в бассейнах крупных рек средствами ГИО-технологий // Труды гидрометеорол. науч.-исслед. центра РФ. - 2013. - № 349. - C. 47-62.
3. Попое И.В., Гаерт Ю.С. Применение аэрофотосъемки к оценке процессов затопления и опорожнения речных пойм и развития пойменных течений // Труды гос. гидролог. ин-та. - 1970. - Вып. 183. - C. 4-26.
4. Усачёе В.Ф. Применение последовательных аэрофотосъемок для исследования процесса затопления пойм // Труды гос. гидролог. ин-та. - 1972. - Вып. 190. - C. 57-71.
5. Юфeрee В.Г., Кулuк К.Н., Рулee A.C., Мушаeeа К.Б., Кошeлee A.B., Дороxuна З.П., Бeрeзоeuкоeа О.Ю. Геоинформационные технологии в агролесомелиорации. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2010. - 102 с.
6. Hostache R., Matgen P., Wagner W. Change detection approaches to flood extent mapping: How to select the best pre-flood reference image from on-line archives? // Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. - 2012. - V. 19. - P. 205-213. - doi: 10.1016/j.jag.2012.05.003.
7. Webster T.L. Flood risk mapping using LiDAR for Annapolis Royal, Nova Scotia, Canada // Remote Sensing. - 2010. - V. 2, No 9. - P. 2060-20S2. - doi: 10.33 90/rs2092060.
S. ApxunKm О.П., Cагатдuноeа Г.Н., Бралuноeа ЖЛ. Оценка потенциального развития паводков на основе анализа многолетних временных рядов ДДЗ // ^временные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2014. - Т. 11, № 4. - C. 127-136.
9. Дeнuсоeа Ю.И., Пeрeeощuкоe A.A. Построение прогнозной модели зоны затопления пос. Кизнер средствами ГИC-технологий // Вестн. Удм. ун-та. Cер. «Биология. Науки о Земле». - 2009. - Вып. 1. - C. 171-17S.
10. Тарарт A.M. Космический мониторинг и оценка риска затопления урбанизированных территорий в периоды половодий: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.,
2010. - 24 с.
11. Канuщee C.H., ^лодоеткое ДЛ., Золотарee Д.B., Шuнкарeнко C.C., Курсакоеа H.A. Рекреационное природопользование на территории Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги: методические рекомендации по нормированию рекреационных нагрузок и оценке состояния природных комплексов. - Волгоград: ООО «Царицынская полиграфическая компания», 2012. - 120 с.
12. U. S. Geological Survey. - URL: https://earthexplorer.usgs.gov, свободный.
13. Брылee B.A., Оечароеа AM. Влияние режима попусков Волгоградской ^C на природу Волго-Ахтубинской поймы // Волгоградская область: природные условия, ресурсы, хозяйство, население, геоэкологическое состояние. - Волгоград: Перемена,
2011. - C. 428-43S.
14. Оечароеа A.M. Геоэкологические проблемы Волгоградской геотехногенной системы, вызванные изменением гидрологического режима Волги (в пределах Волгоградской области): Дис. ... канд. геогр. наук. - Ростов н/Д, 2016. - 194 с.
15. Официальный сайт ОАО «РусГидро» - URL: http://www.rushydro.ru, свободный.
16. Чeрноe A.B. Морфологические следствия взаимодействия пойменного и руслового потоков // Учен. зап. РГГМУ. - 2007. - № 5. - C. 143-151.
Поступила в редакцию 24.01.17
Рулев Александр Сергеевич, доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, заместитель директора по научной работе
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН
пр-т. Университетский, д. 97, г. Волгоград, 400062, Россия E-mail: rulev54@mail.ru
Шинкаренко Станислав Сергеевич, кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесо-ландшафтов
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН
пр-т. Университетский, д. 97, г. Волгоград, 400062, Россия E-mail: vnialmi@bk.ru
Кошелева Ольга Юрьевна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН
пр-т. Университетский, д. 97, г. Волгоград, 400062, Россия E-mail: olya_ber@mail.ru
ISSN 2542-064X (Print) ISSN 2500-218X (Online)
UCHENYE ZAPISKI KAZANSKOGO UNIVERSITETA. SERIYA ESTESTVENNYE NAUKI (Proceedings of Kazan University. Natural Sciences Series)
2017, vol. 159, no. 1, pp. 139-151
Assessment of the Influence of the Hydrological Regime of the Volga River on the Dynamics of Flooding on Sarpinsky Island
A.S. Rulev , S.S. Shinkarenko , O.Yu. Kosheleva
Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Meliorations, and Protective Afforestation, Russian Academy of Sciences, Volgograd, 400062 Russia E-mail: rulev54@mail.ru, vnialmi@bk.ru, olya_ber@mail.ru
Received January 24, 2017 Abstract
The seasonal dynamics of flooding on Sarpinsky Island, which is included in the city of Volgograd, following the damming by the Volga HPP has been considered. The following research problems have been set: firstly, to establish seasonal patterns of flooding in the island territory; secondly, to find out if there is a flooding threat to social infrastructure facilities. The flooded area of the island has been assessed by Landsat multispectral images with a spatial resolution of 30 m. Only images with the survey date corresponding to the peak of high waters (with the difference of not more than 7-10 days) have been analyzed. The flooding areas of the island have been calculated for the date when flooding peaked (April-May) during the period from 1985 to 2016. The phases of spring flooding determined by the island landscape and the water discharge from the Volga HPP have been revealed. The curve of the area of flooding reaches maximum values after the water discharge is up to 11 -12 km3, which depends on the initial filling of floodplain reservoirs (landscape depressions) in depth without any increase in the area of flooding. The average shift between the peaks of water discharge and the area of flooding is 10-15 days and reflects gradual filling of floodplain reservoirs on Sarpinsky Island after the beginning of water discharge from the Volga HPP. It has been found that there is no threat to infrastructure facilities on Sarpinsky Island under the current volumes of water discharge during the flooding period. The obtained
results are important for urban planning on the island, as well as for management of the regimes of water passage through the dam of the Volga HPP.
Keywords: Sarpinsky Island, Volga-Akhtuba floodplain, Volga HPP, hydrological regime, high water, area of flooding, seasonal dynamics, Landsat
Acknowledgments. The study was supported by the State Assignment no. 0713-2016-0504 for Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Meliorations, and Protective Afforestation, Russian Academy of Sciences.
Figure Captions
Fig. 1. The maximum and minimum areas of flooding on Sarpinsky Island (min - 2015, max - 2010).
Fig. 2. The relation between the volumes of water discharge from the Volga HPP and the areas of flooding on Sarpinsky Island.
Fig. 3. Visualization of the areas of flooding, 2013, Landsat-8 color composite: a - 17.04; b - 12.05; c -04.06; d - 06.07; e - 16.08; f - 06.12.
Fig. 4. The seasonal dynamics of the water-plane areas and the water discharge from the Volga HPP: a -2013; b - 2014; c - 2015; d - 2016.
References
1. Shumova N.A. Changes in environmentally significant characteristics of the hydrological regime of the Lower Volga under runoff control. AridEcosyst., 2014, vol. 4, no. 3, pp. 158-168. (In Russian)
2. Borshch S.V., Samsonov T.E., Simonov Yu.A., L'vovskaya E.A. Visualization hydrological ph e-nomena in large river basins using GIS technologies. Tr. Gidrometeorol. Nauchno-Issled. Tsentra Ross. Fed., 2013, no. 349, pp. 47-62. (In Russian)
3. Popov I.V., Gavrin Yu.S. Use of aerial photography in evaluating the flooding and emptying of river flood plains and the development of floodplain currents. Tr. Gos. Gidrol. Inst., 1970, vol. 183, pp. 4-26. (In Russian)
4. Usachev V.F. Application of consecutive aerial photographic mapping for research of flooding process in river floodplains. Tr. Gos. Gidrol. Inst., 1972, vol. 190, pp. 57-71. (In Russian)
5. Yuferev V.G., Kulik K.N., Rulev A.S., Mushaeva K.B., Koshelev A.V., Dorokhina Z.P., Bere-zovikova O.Yu. Geoinformation Technologies in Agricultural Afforestation. Volgograd, VNIALMI, 2010. 102 p. (In Russian)
6. Hostache R., Matgen P., Wagner W. Change detection approaches to flood extent mapping: How to select the best pre-flood reference image from on-line archives? Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf., 2012, vol. 19, pp. 205-213. doi: 10.1016/j.jag.2012.05.003.
7. Webster T. L. Flood risk mapping using LiDAR for Annapolis Royal, Nova Scotia, Canada. Remote Sens., 2010, vol. 2, no. 9, pp. 2060-2082. doi:10.3390/rs2092060.
8. Arkhipkin O.P., Sagatdinova G.N., Bralinova Zh.A. Estimation of potential growth of high waters from the analysis of long-term temporal rows of remote sensing data. Sovrem. Probl. Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli Kosmosa, 2014, vol. 11, no. 4, pp. 127-136. (In Russian)
9. Denisova Yu.I., Perevoshchikov A.A. Constructing a forecast model of a flood zone by means of GIS technologies in the township of Kizner. Vestn. Udmurt. Univ. Ser. Biol. Nauki Zemle, 2009, vol. 1, pp. 171-178. (In Russian)
10. Tararin A.M. Space monitoring and assessment of risk of flooding in urbanized territories during the periods of high waters. Extended Abstract of Cand. Eng. Sci. Diss., Moscow, 2010. 24 p. (In Russian)
11. Kanishchev S.N., Solodovnikov D.A., Zolotarev D.V., Shinkarenko S.S., Kursakova N.A. Recreational Nature Management in the Territory of the Volga-Akhtuba Floodplain and the Volga Delta: Methodological Guidelines for Regulation of Recreational Loads and Assessment of the State of Natural Complexes. Volgograd: Tsaritsyn. Poligr. Kompaniya, 2012. 120 p. (In Russian)
12. U. S. Geological Survey. Available at: https://earthexplorer.usgs.gov.
13. Brylev V.A., Ovcharova A.Yu. Volgograd Region: Natural Conditions, Resources, Economy, Population, Geoecological Condition. Vliyanie rezhima popuskov Volgogradskoi GES na prirodu Volgo-Akhtubinskoi poimy [Influence of the Mode of Releases of the Volgograd HPP on the Nature of the Volga-Akhtuba Floodplain]. Volgograd, Izd. Peremena, 2011, pp. 428-438. (In Russian)
14. Ovcharova A.Yu. Geoecological problems of the Volgograd geotechnogenic system caused by changes of the hydrological mode of the Volga River (within Volgograd region). Cand. Geogr. Sci. Diss. Rostov-on-Don, 2016. 194 p. (In Russian)
15. Official Website of OAO RusHydro. Available at: http://www.rushydro.ru.
16. Chernov A.V. Morphological consequences of interaction between channel and floodplain flows. Uch. Zap. Ross. Gos. Gidrometeorol. Univ., 2007, no. 5, pp. 143-151. (In Russian)
<Для цитирования: Рулев А.С., Шинкаренко С.С., Кошелева О.Ю. Оценка влияния гидрологического режима Волги на динамику затопления острова Сарпинский // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2017. - Т. 159, кн. 1. - С. 139-151.
<For citation: Rulev A.S., Shinkarenko S.S., Kosheleva O.Yu. Assessment of the influence of the hydrological regime of the Volga River on the dynamics of flooding on Sarpinsky Island. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 1, pp. 139-151. (In Russian)
