CC BY
230
Повалишникова Е.С.1, Ефимова Л.Е. 2, Головлева В.О. 3 ©
1,2 Кандидат геогр. наук, 3студент, кафедра гидрологии суши Географический факультет МГУ
им. М.В.Ломоносова
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРЕДЕЛАХ ООПТ *
Аннотация
В статье рассматриваются общие вопросы целесообразности и практической значимости мониторинга водных объектов особо охраняемых природных территорий (ООПТ). Особое внимание уделяется возможности использования для целей мониторинга данных дистанционного зондирования Земли.
Ключевые слова: мониторинг, дистанционное зондирование, водный объект, экологическое состояние.
Keywords: monitoring, remote sensing, water body, ecological state.
Введение
Гидрологический мониторинг (ГМ) в пределах ООПТ проводится, исходя из общих задач государственного мониторинга водных объектов, изложенных в Водном кодексе РФ, однако, имеет специфику, связанную с режимом функционирования охраняемых территорий и с отсутствием стационарных пунктов мониторинга, гидрологических станций и постов.
Объектами ГМ являются: снежный покров, водные объекты - родники, колодцы, ручьи, реки, болота, озера, пруды, каналы; гидротехнические сооружения - плотины, дамбы, водозаборы, источники антропогенного воздействия - системы водоотведения, системы сбора и отвода поверхностных вод в пределах населенных пунктов.
Гидрологический мониторинг рассматривается с двух позиций: мониторинг состояния водных объектов и мониторинг состояния водосбора.
Мониторинг состояния водных объектов включает в себя мониторинг различных гидрологических характеристик по количественным и качественным показателям (уровни и расходы воды, мутность и сток наносов, термический и ледовый режимы, качество воды), гидроморфологический мониторинг, мониторинг объемов водопотребления и водоотведения, водохозяйственных сооружений и водоохранных зон.
Мониторинг состояния водосбора состоит из мониторинга физико-географических и климатических факторов стока (почвы, растительность, осадки, снегозапасы, температура и влажность почвы и т. п.) и мониторинга развития хозяйственной деятельности на водосборе (мелиорация, гидротехнические, агро- и лесотехнические мероприятия и т. п.).
Как видно из приведенного перечня задач, для их решения необходим большой объем информации с высокой частотой обновления, которую могут обеспечить только данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, получаемые с заданным периодом наблюдений.
Использование данных ДЗЗ для мониторинга ООПТ
Отдельные циклы мониторинга водных объектов можно реализовать на базе данных ДЗЗ с разных космических аппаратов (КА).
Наиболее оптимальным для мониторинга ООПТ различного размера является индивидуальный подбор и комбинированное использование снимков с разным пространственным разрешением для решения отдельных задач мониторинга (таблица 1) [1; 2; 3; 4; 5].
© Повалишникова Е.С., Ефимова Л.Е., Головлева В.О., 2013 г.
Наилучшим выбором для мониторинга являются снимки среднего и высокого разрешения, сочетающие в себе достаточную детальность изображения и довольно широкую полосу охвата.
Таблица 1
Задачи мониторинга и охраны ООПТ, решаемые с использованием данных ДЗЗ
Вид работ Наименование космических аппаратов разного разрешения съемки
оптико-электронные радиолокационные
сверхвысокое (менее 1 м) высокое (менее 2.5 м) среднее (менее Юм) низкое (более 10 м) менее 1 м менее 7м более 7 м
<& и с ■и 1 О £ "р Г*~! и & тл с О Г-1 Е-4 И О О СЛ С < кП О С^ и я о ■н □ о 03 *3 1 гч Е-4 О Си Е/3 и Е- СЛ < ' [хЗ Е— Ы ТЭ сЗ VI £ ТЭ 3 >< < Т/1 Р В Е- тз и ’У! < 6 2 К О и С-4 Е-1 С и к < 5 г*/* <! ел < Си ч ^ 73 О < Е— < И с' < [—1 2 Я
Создание тематических карт масштаба: 1:10000
1:25000 1:50000 1:100000 1:200000
Выявление речных и озерных бассейнов и водосборов
Мониторинг процессов затопления во время половодий н паводков
Определение биологической продуктивности и состояния водоемов
Мониторинг водного и ледового режима водоемов
Мониторинг состояния водоохранных зон
Наблюдения за быстронзменяющнмнся экосистемами
Выявление локальных источников загрязнения
Мониторинг строительства и реконструкции объектов
Строительство дорог
Выявление вырубок и гарей
Контроль восстановления лесных массивов
Мониторинг строительства и состояния объектов туризма и отдыха
Мониторинг ООПТ с использованием снимков Landsat
Попытка решить некоторые из задач мониторинга ООПТ с использованием данных ДЗЗ была предпринята авторами на примере национального парка «Валдайский». Национальный парк подчиняется Новгородскому управлению лесами и расположен на территориях Окуловского (12% территории парка), Валдайского (62%) и Демянского (26%) административных районов Новгородской области. В его границах находится 151 населенный пункт (в т.ч. город Валдай) с населением около 36 тыс. человек. Территорию национального парка с запада на восток пересекает автомобильная дорога Москва-Санкт-Петербург и железные дороги, которые соединяют Валдай с Москвой и Санкт-Петербургом.
Национальный парк образован постановлением Правительства РСФСР в 1990 г. с целью сохранения уникального озерно-лесного комплекса Валдайской возвышенности и создания условий для развития организованного отдыха в этой зоне. Его длина с севера на юг - 105 км, с запада на восток - 45 км, площадь парка 1585 км2. На его территории находится 257 озер с общей площадью 164.6 км2, что составляет 10.4% от площади парка [6, 2].
Границы парка приблизительно соответствуют границам водосборных бассейнов озер Боровно, Валдайское, Велье, Селигер и верховьев реки Полометь. При их обосновании в 1989 г. под охраняемую территорию отводились верхние части речных водосборных
бассейнов и приводораздельные озерные бассейны. Площадь водосборных бассейнов, покрывающих территорию парка и частично выходящих за пределы его границ, составляет 2313 км2. Площадь, оконтуренная границей парка составляет 1995 км2, из которых 410 км2 принадлежат другим владельцам - г. Валдаю, населенным пунктам, сельхозпредприятиям, частным лицам. Нахождение сельских населенных пунктов внутри парка ранее принималось как историческая особенность территории, не было принято законодательных актов, ограничивающих расширение их застройки. Напротив, демографическая ситуация в период создания нацпарка предполагала сокращение местного населения и поселений внутри него.
Актуальность исследований
На общем фоне сокращения за последние 50 лет численности постоянно проживающего населения во всех муниципальных районах (рисунок 1), наблюдается устойчивая тенденция роста числа и размеров населенных пунктов, а также развитие дорожно-транспортного сообщения как транзитного (в том числе федерального значения), так и местного, что отражается на увеличении протяженности дорог общего пользования.
Рис. 1 - Динамика численности населения муниципальных районов, на территории которых расположен национальный парк «Валдайский» [7; 8]
Несмотря на сокращение численности местного населения, в границах муниципальных районов происходит перераспределение плотности населения за счет увеличения численности проживающих в городских поселениях. Увеличение площадей сельской и городской застройки может осуществляться только при выводе застраиваемых земель из охраняемых площадей территории национального парка «Валдайский». Тем не менее, в настоящее время наблюдается несогласованный в природоохранных структурах и национальном парке захват земель парка под коттеджное и производственное строительство на землях бывших сельскохозяйственных угодий, приобретенных у местного населения. Частная жилая застройка активно развивается в наиболее привлекательных с рекреационной точки зрения районах - по берегам озер национального парка и вдоль развитых транспортных артерий.
По данным [9, 12] «целые группы дачных домов огораживаются общей изгородью, затрудняющей свободный доступ к водоемам... Подобное заселение ухудшает возможности парка Валдайский как федерального общедоступного рекреационного образования». Осуществляется незаконная организация и работа рыбопромысловых участков (РПУ) для товарного рыбоводства на водоемах национального парка с сопутствующим строительством в береговой зоне водоемов, в частности, на оз. Селигер (фермерское хозяйство М. Давыдова),
оз. Велье (ООО «Риф»), оз. Боручье и Завидечье (вся акватория) [10], строятся планы организации РПУ на оз. Боровно. Полной и достоверной информации о реальных размерах увеличения площадей застройки в настоящее время нет. В связи с этим очень важным представляется картирование населенных пунктов и антропогенно преобразованных ландшафтов и последующее сравнение созданных карт с картами периода образования парка с целью оценки изменения соотношения этих площадей.
Задачи исследований
В связи с особенностью сложившихся в регионе условий, основными задачами при исследовании водных объектов на территории НП «Валдайский» являлись их кадастровая оценка, анализ экологического состояния и возможной антропогенной нагрузки на объекты.
Первичная оценка состояния водных объектов невозможна без общих представлений о характере изучаемой территории, физико-географических и климатических факторов формирования стока на ней. Поэтому одной из главных составляющих мониторинга водосбора ООПТ являлся мониторинг степени ее залесенности, заболоченности и хозяйственной освоенности. В связи с этим на первом этапе работ появилась необходимость составления современных карт, дающих представление об этих основных характеристиках района исследований. Весь комплекс проведенных для этого работ можно разделить на два крупных блока: первый - сбор и анализ литературных, фондовых и полевых материалов, выбор космических снимков и второй - собственно дешифрирование снимков, привязка к ним тестовых площадок и составление тематических электронных карт.
Материалы и методы исследований
В качестве литературных, фондовых и подспутниковых материалов использовались: имеющаяся к настоящему времени общая информация об изучаемой территории, топографические карты масштаба 1:500000, 1:200000 и 1:100000, статьи и отчеты исполнителей проекта, а также данные непосредственных полевых наблюдений на территории национального парка, выполненные в период 2010-2012 гг.
Для выполнения картографической части работ использовались снимки со спутника Landsat 4, 5 и 8 (таблица 2) в связи с возможностью их свободного скачивания из Интернета.
Таблица 2
Сравнительная характеристика съемочной аппаратуры спутников Landsat 4, 5 и 8
ЬаМ8а! 4, 5 (ТМ) ЬаМ8а! 8 (ОЫ, TIRS)
Канал Длина волны, мкм Разрешени е, м Канал Длина волны, мкм Разрешени е, м
1 0.43-0.45 30
1 0.45-0.52 30 2 0.45-0.51 30
2 0.52-0.60 30 3 0.53-0.59 30
3 0.63-0.69 30 4 0.64-0.67 30
4 0.76-0.90 30 5 0.85-0.88 30
5 1.55-1.75 30 6 1.57-1.65 30
7 2.08-2.35 30 7 2.11-2.29 30
8 рап 0.50-0.68 15
9 1.36-1.38 30
6 10.40-12.50 120 10 10.60-11.19 100
11 11.50-12.51 100
Для дешифрирования снимков была разработана классификация объектов по их спектральным признакам и выделено несколько основных групп, в которые вошли: водные объекты (реки и озера), смешанные и хвойные леса, заболоченные территории, открытые участки и антропогенно измененные территории. Для дешифрирования различных групп объектов использовались комбинации каналов 4-5-3, 4-3-2, 7-5-4 (Landsat 4, 5) и 5-6-4, 76-5 (Landsat 8). Результаты дешифрирования корректировались по данным тестовых
участков. Также на местности было проведено уточнение неуверенно дешифрированных районов.
Результаты исследования
В программе ArcGIS на базе имеющихся материалов создан ГИС-проект, в котором по результатам дешифрирования в масштабе 1:50000 был построен набор тематических карт: водных объектов, залесенности, заболоченности и антропогенной нагрузки (рисунок 2). Уточнение границ ООПТ, дорог, населенных пунктов и топонимики в пределах национального парка «Валдайский» проводилось с привлечением привязанных к снимку имеющихся карт различных масштабов от 1:500000 до 1:100000.
На основе разработанного ГИС-проекта была проведена каталогизация водных объектов Валдайского национального парка, создана их обновленная база и рассчитаны основные морфометрические характеристики рек и озер территории.
К бассейну Балтийского моря относится 220 озер национального парка, к бассейну р. Волги (Каспийского моря) - 37 озер, с общими площадями 84.4 и 80.2 км2 соответственно. Доля площадей крупных озер (Боровно, Валдайское и Ужин) бассейна Балтийского моря составляет 50%, бассейна р. Волги (Велье, Полновский плес Селигера) - 84%. Абсолютные отметки уровня воды в озерах лежат в пределах 149-251 м (бассейн Балтийского моря) и 201-232 м (бассейн р. Волги).
Озера парка образуют каскадные гидрографические группировки, под которыми понимают «объединенную гидрографической сетью группу озер, расположенных на разных уровнях в пределах водосборного бассейна озера, завершающего группировку» [9, 15].
О 5 10 20 ЗО 40
^
Рис. 2 - Электронная карта антропогенной нагрузки на территорию национального парка «Валдайский» и зону его влияния, созданная в программе ArcGIS
пределяющими факторами сезонной изменчивости химического состава вод озер и их притоков являются ландшафтные условия водосбора и тип питания водных объектов.
Составленные карты заболоченности и залесенности территории парка позволили выявить различия этих характеристик на водосборах озер. Заболоченность и залесенность бассейнов обусловливают количество поступающих в озера органических веществ. Ландшафтные условия водосбора во многом определяют интенсивность вымывания растворимых гумусовых веществ, что оказывает влияние на цветность воды, концентрацию и химический состав водного гумуса в воде рек и озер.
Допустимая нагрузка для береговых или аквальных комплексов определяется по наименее устойчивому к рекреационному воздействию компоненту. Для водных объектов НП «Валдайский» это, в первую очередь, изменения качества воды, обусловленные поступлением биогенных и органических веществ, что приводит к эвтрофированию водных объектов. Для большинства озер парка, характеризующихся замедленным водообменом, отмечается аккумуляционный эффект по отношению к биогенным элементам, поступающим в озера. При расчетах антропогенной нагрузки для периода 1975-1986 гг. [11, 103; 12, 113] было показано, что «основными поставщиками фосфора в Валдайское озеро являются коммунально-бытовые стоки г. Валдая и объектов рекреации (89% Рнеорг., 65% Робш. В среднем по общему фосфору для Валдайского озера доля города составила 50%, доля объектов рекреации - 19%, водосборов с включением сельхозугодий - 4%; по неорганическому азоту
- 44, 3, и 9 % соответственно». Свидетельством возросшей биогенной нагрузки может служить активное цветение воды и образование сине-зеленых водорослей на мелководьях, прилегающих к населенным пунктам и местам скопления бань. Расширяющаяся застройка побережий также ускорила развитие макрофитов в прибрежной зоне. С развитием туристического рыболовства и увеличением численности населения по берегам озер происходит вовлечение малых озер в сферу частного рыболовства - их аренда, зарыбление и подкормка, что приводит к ухудшению качества воды в них.
Для оценки влияния антропогенной освоенности территории на ее экологическое состояние на основе разработанного ГИС-проекта проведена каталогизация населенных пунктов в границах национального парка «Валдайский», создана их база, рассчитаны протяженность дорог разного значения, площади, занятые поселениями, и их динамика за последние 25 лет.
По проведенным расчетам протяженность дорог с асфальтовым покрытием к 2013 г. на территории парка составила 700 км, грунтовых дорог местного значения - 2351 км, железных дорог - 110 км. При этом в северной части парка, включающей центральную часть Валдайского района, протяженность железных и асфальтированных дорог в 3 раза больше, чем в южной.
Установлено, что за этот период большинство существовавших ранее деревень увеличили свои площади в среднем от 5-10 до 70-75%. Наибольшим изменениям подверглись населенные пункты Валдайского района. За эти годы появилось около 70 новых деревень, многие из которых не имеют постоянного населения, что подтверждает тенденцию активного развития дачного строительства и строительства баз сезонного отдыха и туризма. Приезжающее на сезонный летний и неорганизованный отдых население не поддается численной оценке, что создает серьезные трудности для характеристики антропогенной нагрузки на лесные угодья и водные объекты национального парка. Рекреационная нагрузка, как правило, неравномерно распределена по территории НП «Валдайский» и приурочена к наиболее живописным частям водоемов, наибольшая нагрузка отмечается в летний сезон, достигая максимума в июле-августе. Практически невозможно получить информацию о количестве временного населения парка, которое постоянно возрастает. Учет временного населения можно проводить, используя регистрационно-измерительный метод и анкетный опрос, однако, к настоящему времени в архиве парка подобная информация отсутствует.
Тем не менее, основываясь на статистических данных администраций местных поселений и результатах проведенного дешифрирования, были проведены приблизительные расчеты нагрузки на водные объекты, оказываемые местным населением. Максимальное количество загрязняющих биогенных элементов, поступающих от выгребов, - аммонийного
азота и минерального фосфора [13, 83] - приурочено к сельским поселениям с наибольшим количеством жителей. В частности в северной части парка, расчет был выполнен для оз. Боровно, по берегам которого расположены деревни Турбинного сельского поселения. Нагрузка рассчитывалась по отношению к прибрежной зоне озера, глубина которой не превышает 2% и составляет около 44 % от всей его площади. Стоки от выгребов, принадлежащих постоянно проживающему сельскому населению, поступают в озеро локально и с берега, оказывая наибольшее влияние именно на литоральную зону, вызывая повышенное цветение воды и зарастание берегов макрофитами. Полученные оценочные данные для оз. Боровно свидетельствуют о том, что концентрации минерального фосфора и аммонийного азота, которые могут поступать в озеро от выгребов, менее фоновых концентраций этих элементов, наблюдающихся в озере [14, 87].
Согласно проведенным исследованиям для ряда озер парка, в наибольшей степени подверженных антропогенной нагрузке (Валдайское, Ужин, Полновский плес оз. Селигер), выявлено, что в качестве индикатора процесса антропогенного эвтрофирования могут рассматриваться аккумуляционные участки берегов - заливы, береговые «карманы», места ветрового нагона [15, 84]. Именно в этих прибрежных частях возможно накопление органических веществ, заиление и деградация береговой линии.
Важные результаты для характеристики оценки качества воды дают показатели трофности и сапробности. Согласно выполненным нами исследованиям многие виды фитопланктона, обнаруженные в малых озёрах НП «Валдайский», являются олиго- и Р-мезосапробными. Индексы сапробности водоёмов (рассчитанные по Пантле и Буку в модификации Сладечека) [16, 65] изменяются в пределах 1,45-1,76. Эти значения находятся вблизи границы олиго- и Р-мезосапробной зон и характеризуют водоёмы как достаточно чистые.
Несмотря на, казалось бы, благополучную ситуацию, в настоящее время антропогенная нагрузка, обусловленная поступлением биогенных и органических веществ, будет значительно возрастать в связи с активно происходящей частной застройкой водоохраной зоны озер с непосредственным выходом домов к воде.
Нарушается п.6 ст.6 Водного кодекса РФ в части наличия 20-метровой свободной береговой полосы общего пользования. Вследствие этого происходит сосредоточение потока туристов на небольших участках оставшейся пока свободной береговой линии. В связи с этим можно прогнозировать ухудшение состояния аквальных и береговых комплексов озер на перегруженных участках побережья.
Выводы
За период с 1990 по 2013 год снизилась нагрузка на водоемы сельскохозяйственного и промышленного видов антропогенного воздействия, но заметно возросла рекреационная нагрузка, основная доля которой приходится на береговые (водоохранные) зоны и мелководные части водоемов. Ширина зон составляет в среднем 50-100 м.
Необходимо обеспечение сохранения размеров и режима водоохраной зоны водоемов парка, запрет на застройку водоохранных зон.
Необходим подсчет временного населения и мест неорганизованного туризма, который может быть осуществлен с использованием космических снимков высокого разрешения, позволяющих дешифрировать места, выделенные для установки палаточных лагерей.
Помощь в регулировании и контроле рекреационной деятельности на территории парка может оказать проведение периодического мониторинга с привлечением спутниковой информации. Наиболее эффективным будет развитие двух направлений:
- дешифрирование снимков высокого разрешения (от 30 м и менее) для отслеживания изменений в характере использования территории (новое строительство, прокладка дорог, сведение лесов, изменение площадей сельхозугодий и т.п.);
- развитие методов дистанционного зондирования для оценки экологического состояния водных объектов (разработка методик, позволяющих перейти к количественному определению отдельных характеристик, отражающих экологическое состояние вод). Такой подход позволит оперативно оценивать рекреационную нагрузку биогенными и органическими веществами на все водные объекты парка.
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-05-00527.
Литература
1. Жиленев М.Ю. Обзор применения мультиспектральных данных ДЗЗ и их комбинаций при цифровой обработке // Геоматика. - 2009. - №3. - С. 56-64.
2. Никольский Д.Б. Сравнительный обзор современных радиолокационных систем // Геоматика. -2008. - №1. - С. 11-17.
3. Дворкин Б.А. Новая перспективная группировка спутников RapidEye // Геопрофи. — 2009. — № 3. — С. 14-18.
4. Абросимов А.В., Дворкин Б.А. Использование данных ДЗЗ из космоса для мониторинга водных объектов // Геопрофи. - 2009. - №5. - С.40-45.
5. Никольский Д.Б. Современные тенденции в радиолокационном дистанционном зондировании Земли // Геопрофи. - 2008. - №4. - С.19-24.
6. Валдайский национальный парк: перспективы развития. /Под ред. М. В. Глазырина и А. З. Селезнёва. - Москва - Новгород, 1996. -14. с.
7. Переписи населения СССР - Режим доступа: \\webgeo.ru
8. Росстат. Численность населения районов и городских населённых пунктов субъектов Российской Федерации на 14.10.2010 г. - Режим доступа: http://www.gks.ru/free_doc/ new_site/perepis2010/croc/perepis_itogi 1612.htm
9. Отчет о научно-исследовательской работе «Формирование системы мониторинга охраняемых территорий Волго-Балтийского водораздела на примере Валдайского национального парка». -Валдай, 2010. - 56 с.
10. Сайт комитета охотничьего и рыбного хозяйства Новгородской области, http: //novohotkom .natm. ru/ryb/runo.
11. Недогарко И.В., Кузнецова Ю.Н., Решетников Ф.Ю., Калмыкова Н.С. Расчет внешней биогенной нагрузки на систему озер Валдайское и Ужин. В кн. Антропогенные изменения экосистем малых озер. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 102-105.
12. Недогарко И.В., Шишкин Б.А. К оценке экологического состояния Валдайского озера под влиянием хозяйственной деятельности. Тез. Докл. науч. конф. «Вопросы теории и практики охраны и рационального использования природы Новгородской и прилегающих областей». -Новгород, 1989. - С. 112-113.
13. Методические указания по расчету поступления биогенных элементов в водоемы от рассредоточенных нагрузок и установление водоохранных мероприятий. 1309. М., 1988. - С. 8284.
14. Фролова Н.Л., Ефимова Л.Е., Повалишникова Е.С., Терская Е.В., Широкова В.А. Особенности природопользования и гидроэкологическое состояние озерно-речной системы Боровно-Разлив (национальный парк «Валдайский») // Известия РАН. Серия географическая. - № 1. - 2012. -С.81-90.
15. Недогарко И. В. Береговые зоны озер национального парка «Валдайский» и проблемы их использования // Материалы региональной научно-практической конференции «Полевой сезон 2011: Исследования и природоохранные действия на особо охраняемых природных территориях Новгородской области. - Печатный двор «Великий Новгород», 2012. - С. 83-86.
16. Сладечек В., Телитченко М. К вопросу о биоиндикации качества воды // Информационный бюллетень СЭВ по водному хозяйству. - 1983. - № 2. - С. 63-67.
