CC BY
10НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №4 2018
УДК 504.064.37; 556.16; 626.8
Канд. техн. наук А.Г. Терехов 1
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО КАНАЛА КАРА-ЕРТИС-УРУМЧИ: СПУТНИКОВЫЕ ОЦЕНКИ
Ключевые слова: спутниковые снимки, спутниковый мониторинг, бассейн трансграничной реки, водный канал, технические характеристики водного канала
На основе 28 спутниковых снимков LANDSAT-5, 7, 8 (разрешение 30 м) периода 1999...2017 гг. и съёмок метрового разрешения, 50 залётов (спутники: QuickBird, Ikonos, WorldView) в период с 2002 по 2017 гг., была проведена инвентаризация водного канала территориального перераспределения стока: р. Кара-Ертис - г. Урумчи, расположенного в СУАР КНР. Межбассейновый канал используется для транспортировки воды из трансграничной реки Кара-Ертис в район г. Урумчи (внутренний бассейн оз. Манас, Джунгарская равнина). Технические характеристики канала: самотёчный, с 5 тоннельными переходами, суммарной длиной 35,8 км; период строительства около 8 лет, с октября 1999 по октябрь 2007 г.; длина - 591 км; ширина от 30 до 7 м, перепад высот 206 м (632 . 426 м, над уровнем моря [БС]). Канал функционирует с мая по август, период максимальной нагрузки: июнь-июль. Проектный максимум расхода воды, в транзитной части через пески Дзосотын Элисун, оценивается в 175 м3/с, фактически зарегистрированный максимум в 63 м3/с. В нижней части канала, проектный максимум расхода воды снижается до 110 м3/с, фактически зарегистрированный максимум 46 м3/с.
Основной задачей канала является обводнение сельскохозяйственных угодий во внутренних частях Джунгарской равнины. В настоящий момент канал не достроен, работает по временной схеме с существенной недогрузкой.
Введение. Третья по размеру трансграничная река Казахстана (после р. Сыр-Дарьи и р. Или), река Ертис (Иртыш), со среднегодовым объёмом стока на границе в 9,8 км3 [1], приходит на территорию Казахстана из
1 РГП «Казгидромет», г. Алматы, Казахстан
63
Синьцзян-Уйгурского автономного района (СУАР) КНР. Формирование государственной позиции в двухстороннем (Казахстан - КНР) соглашении по делению трансграничных водных ресурсов требует объективной информации о водопользовании в бассейнах трансграничных рек на территории КНР. Особый интерес представляют системы межбассейного перераспределения стока, безвозвратно изымающие воду трансграничных рек для обводнения внутренних районов КНР. В настоящий момент, крупными объектами этого класса являются каналы, транспортирующие воды транграничной реки Кара-Ертис на Джунгарскую равнину (р. Кара-Ертис - г. Карамай; р. Кара-Ертис - г. Урумчи).
Оперативная и историческая гидрологическая информация по территории СУАР КНР фрагментарна и малодоступна для казахстанских экспертов. Спутниковые снимки являются практически единственным регулярным источником информации о состоянии и режиме работы крупных каналов территориального перераспределения стока в СУАР. Водные каналы могут быть зарегистрированы на спутниковой съёмке с 30 метровым пространственным разрешением (рис. 1). Американская спутниковая система LANDSAT-[TM]; [ЕТМ+]; [OLI/TIRS] (три природоресурсных спутника - LANDSAT-5, 7, 8) [7] обеспечивает многозональную съёмку поверхности Земли в оптическом диапазоне с 1983 г. На сайте US Geological Survey (https://glovis/usgs/gov) архив этих данных доступен на свободной основе.
Детальная информация о водном канале р. Кара-Ертис - г. Урумчи может быть получена с помощью снимков субметрового пространственного разрешения. Наиболее доступными являются данные компании Diginal Globe, спутники QuickBird-2 (разрешение от 0,6 м) [9], Ikonos и WorldView, представленные в открытой географической информационной системе - Google-Earth.
Территория мониторинга. В работе рассматривалась часть территории Джунгарской равнины (рис. 2), от р. Кара-Ертис (Черный Иртыш); бассейны озёр Улюнгур, Бага-Нур, Манас; долины рек Урунгу и Саньцзацю; пески Дзосотын-Элисун; северные предгорья хребтов Боро-Хоро, Ирен-Хабырга, Укэн.
Территория Джунгарской равнины отличается засушливостью. Годовое количество осадков невелико и составляет около 150 мм [6]. Сельскохозяйственное использование земель возможно только при их обводнении. Таким образом, экономическое развитие этих территорий опреде-
64
ляется доступностью водных ресурсов, значительная часть которых сосредоточена в стоке трансграничных рек Или и Кара-Ертис.
Рис. 1. Фрагменты спутниковых снимков LANDSAT (разрешением 30 м),
псевдоцветные композиты. Изменения на местности по маршруту канала Кара-Ертис - Урумчи, в зоне песков Дзосотын Элисун: 31.07.2000 - до начала строительства; 16.06.2001 - этап проектно-изыскательских работ; 20.09.2004 - этап строительства канала.
По северной границе Джунгарской равнины (КНР) протекает крупная трансграничная река Кара-Ертис (левый, главный приток р. Обь), берущая своё начало на восточном склоне Монгольского Алтая на границе между Монголией и Китаем. Её бассейн отделён от Джунгарской равнины незначительными возвышенностями. Это позволяет, используя системы тоннельных переходов, строить самотечные каналы, транспортирующие воду на 300 км к югу, до сельскохозяйственных земель межгорной, Джунгарской равнины и северных предгорий хребтов Восточного Тянь-Шаня (хребты Боро-Хоро, Ирен-Хабырга, Укэн), рис. 2.
В период 1997... 2008 гг. в КНР была построена система межбассейнового перераспределения стока р. Кара-Ерти - Джунгарская равнина, представленная в настоящее время двумя магистральными водными каналами: р. Кара-Ертис - г. Карамай и р. Кара-Ертис - г. Урумчи. Эти водные каналы не являются полностью независимыми. Они объединены одним общим плечом, длиной 135 км. Это плечо начинается от водозабора на р. Кара-Ертис, огибает с юго-востока оз. Улюнгур и переходит (акведук) через р. Урунгу. После Урунги канал раздваивается. Одна часть, длиной 325 км, уходит в г. Карамай [4], другая, длиной 456 км, идёт в направле-
65
нии г. Урумчи (рис. 2). Это даёт основание говорить о единой системе территориального перераспределения стока: р. Кара-Ертис - Джунгарская равнина. Система транспортирует воду из бассейна трансграничной р. Кара-Ертис во внутренний бассейн оз. Манас. Функционирование этой системы обеспечивает, с 1999 г., восстановление, прежде полностью высохшего, оз. Манас [5]. Теперь, площадь зеркала озера в отдельные годы может превышать 300 км2.
Рис. 2. Карто-схема системы межбассейного перераспределения стока, трансграничной р. Кара-Ертис во внутренний бассейн оз. Манас; плечо -«каналр. Кара-Ертис - г. Урумчи». Основа - снимки LANDSAT-8 OLIза
июль 2017 г.
В Казахстане принято использовать понятия «канал Кара-Ертис -Карамай» и «канал Кара-Ертис - Урумчи», не выделяя их общую 135-километровую часть в объект с отдельным названием. В данной работе, при описании канала «Кара-Ертис - Урумчи», мы также придерживались этих представлений. 66
Цель работы. Целью данной работы являлась спутниковая инвентаризация водного канала р. Кара-Ертис - г. Урумчи.
Исходная информация. Спутники LANDSAT-5, 7, 8 обеспечивают мультизональную съёмку подстилающей поверхности Земли в оптических и инфракрасных спектральных каналах [7]. Для определения маршрута канала и сроков его строительства использовались спутниковые снимки LANDSAT-5, 7, 8 периода 1999...2017 годов по позициям WRS-2: 143x29; 144x29; 143x28, 144x28, 143x27. Всего было привлечено 28 снимков.
Спутник QuickBird-2 имел активный период 2001.2015 гг. и сканировал подстилающую поверхность Земли с пространственным разрешением 61 см в надир, в панхроматическом режиме от 1,63 до 2,44 м (в зависимости от угла визирования) в мультиспектральном режиме. В работе использовалась информация по 50 залётам спутников субметрового пространственного разрешения в период 2002.2017 гг. [год (месяц, число)]: 2002 (10.18); 2005 (5.01; 5.02; 5.06; 5.14; 8.19); 2006 (4.11;5.17;7.10); 2007 (4.01;4.19;7.09); 2008 (5.09); 2009 (3.22; 8.10; 8.13); 2010 (6.01; 6.09; 7.18; 8.14; 8.18; 8.20); 2011 (5.10; 5.16; 9.10; 9.13); 2012 (4.11;4.20;9.17); 2013 (9.13;9.30); 2014 (4.10; 4.20; 6.09; 7.08; 9.06; 10.20); 2015 (3.14;7.07;7.12;8.19;8.21); 2016 (3.25; 4.19; 9.06; 9.13; 9.15); 2017 (5.30;8.10; 8.26).
Гипсометрическая реконструкция профиля канала базировалось на спутниковой 3-D модели рельефа местности GOOGLE-Earth Elevation [8].
Методика обработки данных. Решение основных тематических задач данной работы включало: экспертное картирование маршрута канала; распознавание изменений на местности и регистрацию сроков строительства (начало - окончание), как самого канала, так и связанных с ним технических водоёмов. Восстановление гипсометрического профиля канала, необходимое для оценки уклона дна, проводилось на основе 3-D модели рельефа местности (Google-Elevation [8]).
Оценка технических характеристик канала базировалась на анализе спутниковых данных метрового разрешения и 3-D моделировании целевых объектов. При 3-D моделировании принимались во внимание: дата и время пролёта спутника, угол визирования, угол возвышения Солнца и его азимут. 3-D модель профиля канала давала информацию по его форме, ширине, глубине и коэффициенту заложения откоса, т.е. параметрам необходимым для оценки пропускной способности канала при различной степени его заполнения. Пропускная способность канала (проектный и фактический расход воды) оценивались на основе гидравлического метода расчета [2].
67
Полученные результаты. Картирование фрагмента водного канала р. Кара-Ертис - Джунгарская равнина, уходящего в направлении г. Урумчи, совместно с информацией по первой, общей части, позволило определить маршрут и основные характеристики канала р. Кара-Ертис -г. Урумчи (рис. 2). По открытой части канала уклон дна являлся прямым и по величине был близок к 0,0002 (рис. 3).
Рис. 3. Водный канал р. Кара-Ертис - г. Урумчи: А - спутниковые оценки ширины канала (по ходу маршрута [.1... 591 км]); Б - гипсометрический профиль маршрута канала.
Детальные технические характеристики водного канала: туннельные переходы, ширина и степень заполнения водой, сезонный режим загрузки определялись на основе спутниковой съёмки метрового разрешения. По маршруту р. Кара-Ертис - г. Урумчи, зарегистрировано 5 туннельных переходов, с соответствующей длиной: № 1- 1838 м; № 2 -2361 м; № 3 - 14630 м; № 4 - 5300 м; № 5 - 11700 м и общей суммарной длиной 35,8 км (рис. 2).
До 571 км маршрута, канал представляет собой облицованное бетоном, открытое русло (за исключением тоннельных переходов), с симметричным, трапециевидным профилем, шириной от 30 до 15 м (рис. 3). После разветвления, за р. Урунгу, ширина канала снижается до 26 м, что является следствием разделения потока воды (рис. 3), часть которого уходит по отдельному каналу в направлении г. Карамай. Ширина канала по дну варьируется, примерно от 6.. .7 м, в транзитной части, идущей через пески Дзосо-
68
тын-Элисун, до 4.5 м в нижней части канала, в районе сельскохозяйственных массивов. Коэффициент заложения откоса оценивается в 1,5. Ширина канала по урезу воды (проектный максимум заполнения в транзитной части) 24 м. Проектный максимум расхода воды оценивался гидравлическим методом [2] и составил 175 м3/с. Фактически зарегистрированный сезонный максимум расхода воды (7 июля 2015 г.) составил около 60 м3/с, т.е. в настоящее время канал, в значительной мере, недогружен.
Нижняя часть канала (460.535 км маршрута), проходящая через сельскохозяйственные массивы, достаточно часто снималась спутниками (42 залёта). Это позволило оценить средний уровень загрузки в период 2008.2017 гг. После перехода через пески Дзосотын-Элисун и ответвления на первый крупный поливной сельскохозяйственный массив (460-й км маршрута), канал сужается до 22 м (рис. 3). Гидравлический расчёт [2] показывает, что проектный максимум расхода воды при этом уменьшается, примерно до 110 м3/с. Фактически зарегистрированный расход воды в этой части канале представлен на рис. 4.
Рис. 4. Оценка расхода воды в канале Кара-Ертис - Урумчи (460... 535 км маршрута). Построено на основе спутниковых данных метрового разрешения периода 2008... 2017 гг. и методики гидравлического расчёта [2].
На основе исторической спутниковой съёмки LANDSAT были зарегистрированы изменения на местности и определены календарные даты основных этапов строительства канала р. Кара-Ертис - г. Урумчи. Начало земляных работ в районе водозабора на р. Кара-Ертис относится к 1997 г. [4]. Проходческие работы по строительству тоннеля на 135 км маршрута (развилка каналов) были начаты, примерно, в октябре 1999 г.
Дата окончания строительства канала р. Кара-Ертис - г. Урумчи оценивалась по факту заполнения водой специально построенных технических водоёмов в конце его маршрута. Было выделено два небольших технических водохранилища. Первое, площадью до 20 км2, примерно на 510-ом км маршрута (рис. 5). Второе, площадью 4 км2, на 591-ом км маршрута (конец кана-
69
ла) (рис. 6). Даты их частичного заполнения относятся к 2007 г. Полное заполнение обоих водохранилищ регистрировано после 2008 г.
Таким образом, водный канал «Кара-Ертис - Урумчи» строился, около восьми лет, с 1999 по 2007 год (рис. 5-6). Канал работает в течение мая - августа, с максимальным расходом на июнь-июль, что по временному режиму соответствует ирригации пашни.
—--
30 июля 2005 17 июля 2006
Рис. 5. Фрагменты снимков периода 2005. 2010 гг., иллюстрирующие динамику заполнения технического водоёма на 510 км маршрута.
Окончание канала "Кара-Ертис - Урумчи"
Рис. 6. Фрагменты снимков периода 2005.2010 гг., иллюстрирующие динамику заполнению технического водоёма в конце канала Кара-Ертис - Урумчи (591 км маршрута).
Необходимо отметить, что в отличии от канала р. Кара-Ертис -г. Карамай, который имеет четко распознаваемое окончание (водохранилище на юго-западе г. Карамай), канал р. Кара-Ертис - г. Урумчи чёткого окончания не имеет. Не доходя до г. Урумчи, примерно 20 км (540 км маршрута), канал резко разворачивается и идёт на северо-запад, в сторону оз. Эби-Нур, траверсируя конусы выноса местных горных массивов. На 571 км маршрута (490 м над уровнем моря), канал как бы обрывается. Он
70
ещё раз резко поворачивает, теперь на север, сужается до ширины 7 м и уходит вниз по склону, до специально построенного, небольшого технического водохранилища, площадью 4 км2. Длина последнего фрагмента около 20 км. Отсутствие бетонной облицовки на этом отрезке маршрута говорит о временной схеме функционирования канала в настоящее время.
Конечное, небольшое водохранилище, куда приходит канал, является транзитным. В водохранилище вода канала Кара-Ертис - Урумчи объединяется с водой местной р. Саньцзицю, что обеспечивает, через местную ирригационную систему, поливной водой окружающие сельскохозяйственные поля. В дальнейшем, исходящая из водохранилища оросительная система соединяется с Восточным магистральным каналом (рис. 2). Таким образом, воды реки Кара-Ертис, транспортируемые через канал Кара-Ертис - Урумчи, объединяются с водами, доминирующей реки региона - р. Манас (среднегодовой расход воды 34 м3/с [3]) и в конце концов, достигают оз. Манас.
Логически обоснованным местом окончания канала «Кара-Ертис -Урумчи» могла бы быть группа водохранилищ Юуцзинь, расположенных на р. Манас, севернее г. Шихецзы. Из этих водохранилищ берут своё начало Восточный и Западный магистральные каналы, являющиеся основой ирригационной системы сельскохозяйственных угодий бассейна оз. Манас (рис. 2). От места окончания облицованной части канала (571-ый км маршрута) до этой группы водохранилищ, по прямой, остаётся ещё около 70 км. Водохранилища расположены на высоте, примерно 375 м БС, окончание облицованной части канала на высоте 490 м БС, т.е. существующий перепад высот более чем достаточен для соединения этих объектов в одну самотёчную гидротехническую систему.
Технически возможен вариант доведения канала «Кара-Ертис -Урумчи» до оз. Эби-Нур (высота зеркала 189 м БС). Организация маршрута канала по верхней границе сельскохозяйственных массивов предгорий позволила бы устойчиво обеспечить их водой в этой части Джунгарской равнины и стабилизировать уровень оз. Эби-Нур. Осушение мелководной, верхней, части оз. Эби-Нур крайне нежелательно. Сильные постоянные ветра Джунгарских ворот способны переносить соль с осушенного дна озера на сельскохозяйственные земли региона, снижая их плодородие (рис. 7).
Выводы. Спутниковые снимки LANDSAT-5, 7, 8, дают возможность частично проводить инвентаризацию водных каналов, расположенных на сопредельных к Казахстану территориях, для которых доступ к
71
наземной информации ограничен. Применительно к каналу «Кара -Ертис -Урумчи», относящемуся к системе межбассейного перераспределения стока в СУАР, транспортирующей воды трансграничной реки Кара-Ертис, во внутренний бассейн оз. Манас, данный подход даёт возможность определить основные характеристики канала. В том числе: маршрут, длину, перепад высот, даты строительства. А также, технические параметры, такие как: форма и наличие облицовки русла, характер и величина уклона дна, расход воды (проектный, фактический).
Рис. 7. Соляная буря с северного, осушенной части оз. Эби-Нур. Псевдоцветной композит LANDSAT-5 ТМ за 28 марта 1996 г.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МОН РК ГФ АР05134241.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Генеральная схема комплексного использования и охраны водных ресурсов Казахстана [Электрон. ресурс]. URL: https://mgov.kz>wp-content/uploads/2016/01/rus.doc (дата обращения: 16.10. 2017).
2. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 311 с.
3. Манас (река в Китае) [Электрон. ресурс]. URL: https://dic.academic.m/dic.nsf^se/106329/%D0%9C%D0%B0%D0%BD% D0%B0%D1%81 (дата обращения: 11.12. 2017).
4. Терехов А.Г. Технические характеристики водного канала Кара-Ертис
- Карамай: спутниковые оценки // Гидрометеорология и экология -2017. - № 4 (87). - С. 54-62.
5. Терехов А.Г. Мониторинг озера Манас (КНР) в период 1989-2017 гг. по спутниковым данным LANDSAT // Гидрометеорология и экология.
- 2018. - № 2 (89). - С. 63-72.
72
6. Climatological Atlas of the People's Republic of China // China Meteorological Press. Zhonghua Renmin.Gongheguo Qihou Tuji - 2002, 250 р.
7. Landsat Mission [Электрон. ресурс]. URL: https://landsat.usgs.gov/landsat-project-description (дата обращения: 16.10. 2017).
8. Measure distance & elevation [Электрон. ресурс]. URL: https://support.google.com/earth/answer/ 148134?hl=en (дата обращения: 16.10. 2017).
9. QuickBird Mission [Электрон. ресурс]. URL: http://www.spaceimagingme.com/ downloads/sensors/datasheets/QuickBird-DS-QB-Web.pdf (дата обращения: 16.10. 2017).
Поступила 12.12.2018 Техн. гылымд. канд. А.Г. Терехов
ЦАРА-ЕРТ1С - YРIМШI СУ АРНАСЫНЬЩ ТЕХНИКАЛЬЩ СИППАТАМАЛАРЫ: ЖЕРСЕР1КТ1К БАГАЛАУ
TYMHdi свздер: жерсерштш суреттер, жерсерiктiк мониторинг, трансшекаральщ взеннщ бассейiнi, су арнасы, су арнасыньщ техникалыщ мiнездемесi
1999.2017 жылдар аралыгындагы LANDSAT-5, 7, 8 жерсерттщ 28 суреттертщ (суреттердщ 30 м руцсаты бар) арцасында жэне де 2002.2017 жылдар аралыгындагы QuickBird, Ikonos, WorldView жерсерттердщ 50 рет ушуыныц арцасында (cypemmepdiц бiр метiрлiк руцсаты бар) СУАА ЦХР Цара-Ертic оз. - Yрiмшi цаласында орналасцан су арнасыныц аумацтыц су агымыныц цайта болуте тYгендеуi жасалган. Цара-Ертic трансшекаралыц озентен Yрiмшi цаласыныц ауданына царай (Жоцгар жазыцтыгы, Манас колтщ ШК бассешт) суды су цубырлар арцылы тасмалдау реттде цолданылады. Су арнасыныц техникалыц сиппатамасы: оздiгiнен агатын жалпы узындыгымен 35,8 километiрлi 5 тоннельдiк откелдiлерi бар арна; цурылыс кезе^т 8 жылдай болып келедi, 1999 жылдыц цазанынан 2007 жылдыц цазанына деШн; узындыгы - 591 км; Колемi 30 метiрден 7 метiрге дешн, ал биiктiгiнiц озгеруi 206 м (632 . 426м [БЖ] те^з децгешнен жогары). Бул арна мамырдан бастап тамызга дешн жумыс icтейдi, ал ец максималды жумыс icтейтiн айлар ол: маусым мен шыде айларында. Дзосотын Элисун цумдарыныц транзиттiк жерлерiнде су шыгынныц жобалыц
73
максимумы 175 м3/с санымен багаланды, ал тгркелген максимум ол 63 м3/с. Су арнасыныц темен жагында су шыгынъшныц максимумы 110 м3/с дешн азаяды, ал тгркелген максимум 46 м3/с болды. Жоцгар жазыцтыгында орналасцан ауыл-шаруашылыцца арналган жерлерд1 су арнасы арцылы сумен цамтамасыз ету бастапцы мацсат болып келед1.Цурылысты бткен соц жэне 2017 жылга деШн бул су арнасы шамалы шамасы аз кYшiмен жумыс гстедг.
A.G. Terekhov
TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE KARA-ERTIS - URUMQI WATER CANAL: SATELLITE ESTIMATIONS
Keywords: satellite images, satellite monitoring, transboundary river, lake basin, water canal, technical characteristics of the water canal
Based on satellite data the River Kara Ertis - Urumqi water canal has been inventoried. This canal of the territorial redistribution of the runoff located in the Xinjiang Uygur autonomous rayon (XUAR) of China. It is used for the water transfer from the transboundary River Kara-Ertis to the lake Manas basin, which disposed on the Dzungar plain (the internal dry territory of the XUAR). To solve research tasks were used by 28 satellite images of LANDSAT 5, 7, 8 (resolution 30 m) for the period 1999... 2017years and 50 images about 1 meter resolution (satellites: QuickBird, Ikonos, WorldView) between 2002 and 2017 years. Technical characteristics: the gravity water canal, with 5 tunnel crossings with a total length of 35,8 km; the construction period is about 8 years, from October 1999 to October 2007; length - 591 km; width from 30 to 7 meter, the altitude difference (start - end) is 206 meters, from 632 to 426 meters above sea level [Baltic System]. The canal operates from May to August, the period of maximum load: June-July. The design maximum of water canal discharge, in the transit part through the Dzoso-tyn Elisun sand, is estimated at 175 m3/s, actually registered at a maximum of 63 m3/s, in the bottom canal part (width is 22 m) the design maximum is reduced to 110 m3/s, actually registered at a maximum of 46 m3/s . The main canal task is watering of agricultural lands in the internal parts of the Dzungar plain. At the moment the channel is not completed, it works in a temporary scheme with a significant under load.
74
