Применение ГИС-технологий в решении экологических проблем Волго-Ахтубинской поймы

Волго-Ахтубинская пойма (ВАП) – уникальный ландшафт Волгоградской области, расположенный между рукавом Ахтуба и рекой Волга. Основообразующими элементами природного парка «Волго-Ахтубинская пойма» являются еe озера, ерики, которые выполняют важную средообразующую функцию. Деградация (пересыхание, зарастание) водных объектов ВАП приводит к перестройке экосистемы ландшафта к новым безводным условиям и тем самым происходит потеря первозданных уникальных особо ценных его единиц. Именно поэтому водные объекты ВАП имеют особый статус природоохранной значимости и для оценки их состояния необходимо проведение гидролого-экологического мониторинга с применением современных методов.

Активное развитие технологий по работе с пространственными географическими данными (ПГД) и внедрение их в практику в значительной степени позволяет повысить эффективность при комплексном ландшафтно-экологическом исследовании территории. В связи с этим становится востребованным внедрение информационно-аналитического аппарата по работе с ПГД во все сферы человеческой деятельности и, особенно, в области на стыке «человек – природа».

В связи с ростом антропогенной нагрузки в России в конце XX в. – начале XXI в. было организованно 40 природных парков, в том числе и природный парк «Волго-Ахтубинская пойма» (Волго-Ахту-бинская пойма, ВАП).

Волго-Ахтубинская пойма территориально расположена между двумя крупными городами (г. Волгоград и г. Волжский) и на ее территории активно происходит развитие коттеджных, дачных и турбазных комплексов. Активное освоение человеком ВАП ведет, естественно, к ухудшению состояния ее природной среды. Негативное воздействие проявляется не только в её массовой застройке, но и в появлении на территории поймы массовых несанкционированных свалок твердых бытовых отходов (ТБО), разрушающих не только эстетическую привлекательность последней, но и угнетающих все её биоразнообразие.

Основообразующим элементом ПП «Волго-Ахтубинская пойма» являются ее озера, ерики, которые несут средообразующую функцию и являются концентратом её биоразнообразия. О.В. Филиппов (2011) исследуя сток половодий р. Волги в последние годы указывает на наличие опасной тенденции опускания высотных отметок «пиков» стояния вод с горизонтов, соответствующих зоне лугов и верховых озер поймы, в сторону горизонтов низовых озер и ериков низших порядков. Это происходит за счет уменьшения водности весенних половодий, что отражается в регрессии общей тенденции максимальных расходов воды Волжской ГЭС, объемов стока воды, продолжительности затопления территории ВАП. Все это ведет к дефициту водного питания ВАП и активизации процессов заиления и последующего зарастания её водоёмов и водотоков. Помимо этого, на водный режим в пойме негативно влияют гидротехнические сооружения (ГТС). Это проявляется в их ненормированной работе, что в значительной мере уменьшает проточность многих ериков [5].

Ключевыми задачами природного парка «Волго-Ахтубинская пойма» являются: сохранение природных ландшафтов; создание условий для отдыха и сохранение рекреационных ресурсов; разработка и внедрение эффективных методов охраны природы и поддержание экологического баланса в условиях рекреационного использования его территории. [6]. Реализовывать последнюю задачу практически невозможно без использования инструментов ГИС (программное обеспечение, GPS- приемники, навигаторы, эхолоты и т.п.) и ДЗЗ (программное обеспечение, Wed-картографические сервисы, космические снимки и т.п.). Они позволяют формировать базу данных по интересующим пользователя объектам с последующим её анализом и визуализацией в виде тематических карт. На основании наземных и дистанционных наблюдений с помощью инструмента ГИС можно оперативно выявлять очаги негативного воздействия на территорию. Все это является важной составляющей при планировании и проведении природоохранных мероприятий.

Как упоминалось выше, водные объекты ВАП являются основой для формирования её биоразнообразия. Все природоохранные мероприятия природного парка «Волго-Ахтубинская пойма» прямо

Условные обозначения граница ПП "Волго-Ахтубинская пойма"

водные объекты сетка 5 х 5 км

18     24

zz^^^^M Километры

Рис. 1. Деление территории природного парка «Волго-Ахтубинская пойма» на пространственные единицы размером 5 на 5 км.

или косвенно направлены на сохранение и восстановление деградированных ериков и озер. Для оценки текущего их состояния необходимо проведение гидролого-экологического мониторинга и создание ГИС-инструмента для анализа антропогенной напряженности на исследуемой территории. Передовой российский и международный опыт показывает, что всю территорию ВАП необходимо поделить на равные квадраты с размером ячейки 5х5 км в системе координат UTM. Затем выполнить анализ всей совокупности исходных данных и реализовать доработку существующих ГИС-слоев методами ДЗЗ и наземной калибровки (густота автодорожной сети, населенные пункты, несанкционированные свалки, водные объекты, ГТС и т.п.) и создать ряд новых слоев (сетка UTM и некоторые другие технологически необходимые слои). Все это позволит проанализировать каждую ячейку и придать ей определенный статус антропогенной напряженности. Его расчет производится из соотношения площади земель с высокой степенью антропогенной нагрузки на площадь земель, относительно нетронутых в ходе хозяйственной деятельности человека. Помимо этого, для каждого квадрата легко будет проанализировать элементы ландшафта: коэффициент лесистости, густоты речной сети и озерности и т.п. На основании этого анализа можно будет разработать бальную оценочную систему и создать шкалу комплексных экологичес- ких показателей природной среды. Таким образом, каждая ячейка сетки UTM Волго-Ахтубинской поймы будет носить определенный статус (степень) деградированности. Помимо этого, будут выявлены участки (квадраты UTM), нуждающиеся в проведении дополнительных полевых исследований.

С.А. Бузмаков и др. (2011) разработали пятиступенчатую шкалу степени деградации экосистем ООПТ и их компонентов, которую можно использовать, в том числе и для оценки Волго-Ахтубинской поймы [1]:

0 – фоновое, естественное состояние, воздействие отсутствует;

• 1    – изменения экосистем и воздействие незначительные;

• 2    – экосистемы явно изменены и подвергались воздействиям;

• 3    – экосистемы явно подвергались существенным изменениям и воздействиям;

• 4    – экосистемы радикально изменены;

• 5    – экосистемы существенно нарушены. Естественное восстановление крайне затруднено.

В качестве примера оценки степени деградированности территории ВАП рассмотрим квадрат UTM с индексом Г7. Подготовка исходных векторных слоев и оценка их площадей производилась в

Рис. 2. Пример оценки степени деградированности территории квадрата UTM с индексом Г7.

программе ArcGis (рис. 2). Показатель антропогенной напряженности территории (без учета линейных объектов) для Г7 равен 3,5. Это значение свидетельствует о преобладании антропогенных процессов на территории и предварительно по степени деградации эту территорию можно отнести к 3-4.

Важным элементом гидрологического мониторинга Волго-Ахтубинкой поймы является оценка её затопления в период весеннего половодья. Для динамического анализа обводненности всей территории поймы можно использовать космические снимки Landsat 7-8. В качестве примера рассмотрим 1993 г. (с общим объемом половодья 90 км3 и с максимальным расходом 28100 м3/с) и 2006 г. (57 км3 и 18300 м3/с, соответственно). На рисунке 3 приведены спутниковые снимки, сделанные в период «рыбной полки» за 21.05.1993 г. (17800 м3/с) и 02.06.2006 г. (14000 м3/с). По снимку 2006 г. наблюдается значительное снижение обводненности территории ВАП по сравнению с 1993 г. [3].

Рис. 3. Оценка обводненности территории Волго-Ахтубиснкой поймы в период половодья по спутниковым снимкам Landsat

Рис. 4. Эколого-гидрологическая ситуация на оз. Замора

Уменьшение водности половодий приводит к ряду негативных последствий и, в частности, к деградации ключевых орнитологических территорий Волго-Ахтубинской поймы (пример рис. 4). Помимо этого, ГИС могут быть использованы для экологической оценки водности отдельных водных объектов ВАП. Экологическая оценка водности Волго-Ахтубинской поймы необходима в целях определения качественного и количественного состояния экосистемы поймы во взаимосвязи с абиотическими изменениями среды. Водность даёт представление об объеме водной массы водного объекта [4].

Следует отметить, что большой объём воды в пределах ВАП находится в неподвижном состоянии – в озёрах, лиманах, непроточных русловых образованиях. В связи с этим, оценка водности поймы должна включать в себя батиметрическую характеристику водных объектов [2].

Рассмотрим батиметрическую характеристику озера Большой Ильмень в зимний период. По батиметрической карте на рисунке 5 видно, что дно озера Большой Ильмень ровное, без значительных перепадов глубин и характеризуется значениями от 0,54 м до 4,41 м. Озеро вытянуто с северо-запада на юго-восток и разделено на две части (верхнюю и нижнюю). Заметим, что верхняя часть озера характеризуется большими значениями глубин, чем нижняя. Проведённые исследования позволили выявить мелководную, предположительно аккумулятивную, перемычку в средней части озера [3].

Рис. 5. Батиметрическая карта оз. Большой Ильмень

Рис. 6. Кривая объемов оз. Большой Ильмень

Водность озерных котловин связана с определением объемных характеристик последних. В гео-информационной системе в модуле Spatial Analist была вычислена площадь всех исследованных озёр, и объём воды в их пределах. На основе полученных значений нами были построены кривые площадей и кривые объёмов изученных озер. Значение уровня воды в точке с наименьшей глубиной на каждом озере в условной системе высот было принято за +10 метров (рис. 6). Подобные характеристики должны войти в работы, связанные с паспортизацией водных объектов.

Рис. 7. Окрестности оз. Проклятое. Слева направо:

при уровне заполнения котловины -7,5 м Абс. и расходе Волжской ГЭС 11410 м3/с;

при уровне заполнения котловины -6,9 м Абс. и расходе ГЭС 14160 м3/с;

при уровне заполнения котловины -6,1 м Абс. и расходе ГЭС 17520 м3/с; при уровне заполнения котловины -5,9 м Абс. и расходе ГЭС 17600 м3/с; при уровне заполнения котловины –5,7 м Абс. и расходе ГЭС 18050 м3/с.

Полученные нами кривые позволяют вычислить запас воды в озерах в зависимости от уровня воды и могут быть использованы при расчётах объёмов веществ, растворенных и взвешенных в озерной воде. Они делают возможным прогнозирование изменения объема и площади покрытой водой для исследованных озерных котловин ВАП в период половодья и в период межени. При построении кривых были получены формулы зависимости объема воды от ее уровня. Близкая к единице величина достоверности аппроксимации (R2) свидетельствует о большой тесноте связи между объёмом воды в озёрной котловине и уровнем воды [3].

С помощью ГИС-технологий можно также создавать модели разлива воды в период половодья при различных расходах Волжской ГЭС. В качестве исходных данных необходимо иметь цифровую модель рельефа (ЦМР) масштаба 1:10000 и характеристики уровенного режима за многолетний период, основанный на мониторинговых данных. С результатом моделирования процесса разлива воды в окрестности оз. Проклятое можно ознакомиться на рисунке 7 * .

Рис. 8. Динамика изменения свалок ТБО п. Бурковский

Рис. 9. Контроль гидротехнических сооружений

Как уже говорилось выше, проблемы, связанные с несанкционированным размещением ТБО и появления ГТС на территории Волго-Ахтубинской поймы в силу ее географических особенностей стоит особенно остро. Для их оперативного отслеживания рекомендуется использовать спутниковые снимки с Web-картографических сервисов. В качестве примера можно рассмотреть свалку у пос. Бурковский. По снимкам 2002 г. (площадь 5993 м2) и 2013 г. (46 782 м2) (рис. 8) [3].

С помощью технологий ДЗЗ и ГИС можно идентифицировать и каталогизировать ГТС. Космические снимки высокого разрешения могут использоваться в целях инвентаризации состояния различных видов дамб, плотин и т.д. С использованием данных снимков существует возможность как визуального, так и автоматического определения таких параметров как протяженность и ширина канала, разрушения береговых укреплений, плотин, дамб и т.д. Таким образом, дистанционный мониторинг позволяет обеспечить контроль пространственных объектов ГТС (рис. 9) [3].

Проведение дальнейшего мониторинга, направленного на изучение экологического состояния Волго-Ахтубинской поймы с использованием ГИС-технологий и методов ДЗЗ, позволит перейти к разработке организационно-управленческих решений по предотвращению снижения её водных запасов и сохранению естественного ландшафта.

Для оптимизации работы ГИС Волго-Ахтубинской поймы необходимо:

• 1.    Разработать концепцию по созданию тематического электронного каталога «ВАП UTM»;

• 2.    Систематизировать имеющийся материал различных научных и образовательных организаций в единую базу данных тематического электронного каталога «ВАП UTM»;

• 3.    Проводить гидролого-экологического мониторинг и полевые геоботанические исследования на репрезентативных участках ВАП;

• 4.    Провести необходимые работы, связанные с паспортизацией водных объектов;

• 5.    Разработать практические рекомендации по работе с векторным ГИС-слоем в виде сетки UTM, включающих в себя написание скрипта для работы в блоке Model Builder и пошаговая инструкция по работе с сеткой UTM;

• 6.    Доработать необходимые ГИС слои с помощью методов ДЗЗ и полевых выездов;

• 7.    Выполнить поквадратный анализ ГИС-проекта «ВАП UTM», включающий в себя оценку насыщенности и степени их деградации, имеющихся ГИС-слоев и разработкой рекомендаций по планированию последующих научно-исследовательских работ.