CC BY
27
УДК 634.77
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ КАЛМЫКИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
© 2007 г Н.М. Новикова, С.С. Уланова
The developed technique of ecological monitoring, reservoirs of Kalmykia, combining contact (terrestrial) and remote methods of researches, and use GIS technology on the base of the map«Water economy of Kalmykia », has allowed to obtain the hydrological data of the changes of water regime of reservoirs in time and about interaction of reservoirs with adjoining territories. This technique can be successfully applied for other reservoirs without regional restrictions.
As a result of the executed researches- the interrelation between area, level of water in reservoirs and their mineralization are received. The high degree of correlation of these parameters allows to use it for monitoring easily determined parameters and missing to receive a contact method, without fielworks.
Мониторинг водных объектов Калмыкии проводился в связи с актуальностью вопроса рационального водопользования. Естественная гидрографическая сеть республики развита очень слабо. Созданные в 3050-х гг. искусственные водоемы, обеспечивающие питьевое водоснабжение и орошение, претерпели значительную антропогенную трансформацию. Недостаточная изученность водных объектов республики, расхождение гидрометрических величин в проектной документации планирующих органов вызвали необходимость в составлении единой топографической основы в целях эффективного ведения геоэкологического мониторинга поверхностных вод.
В связи с этим впервые для водоемов Республики Калмыкия была проведена картографическая инвентаризация и на ее основе создана электронная ГИС поверхностных вод, позволяющая оперативно осуществлять мониторинг состояния водных ресурсов и прилегающих территорий и представлять его в картографическом виде. Электронный вариант «Водохозяйственной карты Калмыкии» составлен в программе МарИо 6.0. в масштабе 1:200000; печать карты на твердом носителе (бумаге) выполнена в масштабе 1:500000. Материалами для создания карты послужили топокарты М.1:200000 (Ь-38-1-ХХХУ1); аэроснимки М.1:100000; космические фотографические и ска-нерные снимки, полученные с ИСЗ «Космос», «Ресурс О1 № 3», «ЬаМ8а1-7», полученные в период с 1975 по 2001 г; тематические карты, предоставленные отделом водохозяйственных работ и лицензирования УП-РООС по РК Министерства Природных ресурсов России. «Водохозяйственная карта Калмыкии», содержит информацию о современном состоянии гидрологических объектов: выделены сети водотоков (постоянные и временные); сети водоемов (природного и антропогенного происхождения); границы водосборных бассейнов рек и озер; показаны характеристики поверхностного слоя стока; площади водоемов в годы минимальной и максимальной водности; оросительные системы; сеть водопроводов, каналов; минерализация водоемов, водотоков, оросительных систем. Кроме перечисленного набора векторных слоев, в нее вошли данные рельефа с топографических карт масштаба 1:200000, отметки высот, линии нефтепровода.
Составленная карта была использована для проведения геоэкологического мониторинга водоемов, в который включили анализ и оценку гидрологической информации о водоеме (отметку уровня воды; пло-
щадь водной поверхности; минерализацию воды); оценку воздействия на прилегающие территории (структурно-функциональную организацию экотон-ной системы вода-суша: границы зон разного воздействия (блоков), разнообразие и состояние растительности и почв в каждой из зон). Отработку методики геоэкологического мониторинга водоемов проводили на пяти модельных водоемах Калмыкии, отличающихся по назначению, гидрорежиму и ландшафтной приуроченности: на Ергенинской возвышенности -балочный водоем Аршань-Зельмень; на Прикаспийской низменности - русловые водоемы Ханата, Ца-ган-Нур, Деед-Хулсун; в Кумо-Манычской впадине -Чограйское водохранилище. Перечисленные выше данные, характеризующие состояние водоемов и их воздействие на прилегающие территории, были собраны за период с 2001 по 2005 г.
Для выявления гидрологического режима исследуемых объектов необходимо было определить частоту и длительность заливаний побережий как одного из основных факторов воздействия водоемов, формирующих структуру экотонной системы вода-суша. В этих целях был проведен ретроспективный мониторинг динамики площади водной поверхности водоемов по материалам дистанционного зондирования Земли. Работа с черно-белыми, спектрозо-нальными, цветными синтезированными снимками в многолетнем разрезе позволила выявить динамику площади модельных водоемов в период наблюдений с 1975 по 2004 г. По площадям водной поверхности через топохарактеристики водоемов удалось установить урезы воды в годы различной водности, просчитать площади, подвергающиеся заливанию с разной частотой на побережье эталонных водоемов. В полевых условиях топо-экологическое инструментальное профилирование в зоне влияния водоемов сопровождалось заложением ключевых участков с отбором проб для изучения: структуры и солевого режима почв; видового состава, обилия, проективного покрытия растительных сообществ; глубины залегания и минерализации грунтовых вод. Из водоема отбирались пробы для определения минерализации поверхностных вод. Географические координаты уреза воды в водоеме и точек стационарных и маршрутных наблюдений фиксировались с помощью прибора GPS Garmin-12.
Для удобства хранения и обработки экспериментальные данные были сосредоточены в Базе данных,
представляющей тематически связанные между собой таблицы, созданные в прикладной программе Excel. База данных содержит 218 описаний растительных сообществ, 218 проб почв, 65 проб поверхностных и грунтовых вод, 120 растительных укосов. Для обработки и анализа данных использовались специальные прикладные программы MapInfo 6.0, Ecol и другие.
Водохранилище Аршань-Зельмень используется с 1937 г. для регулярного орошения. Питание водоема происходит преимущественно за счет атмосферных осадков, грунтовых вод и двух притоков малой реки Аршань-Зельмень. Годовые расходы на испарение составляют 10-12 млн м3, что в сочетании с забором воды на орошение приводит к значительному сокращению зеркала водохранилища в летне-осенний период. Объем и площадь зеркала этого водоема непостоянны и изменяются в зависимости от водности года. Максимальное наполнение водоема отмечено в 1990 г. При этом площадь водного зеркала достигла 8,027 км2, отметка уровня 29,6 м. Минимальное наполнение было в 1999 г. Площадь водного зеркала сократилась до 2,99 км2 , уровень на тот момент снизился до 26,0 м. Таким образом, наибольшее изменение уровня в многолетнем разрезе по результатам ретроспективного мониторинга составило 3,6 м. В среднем изменение уровня в многолетнем разрезе водохранилища колеблется от 0,3 до 1,8 м (табл. 1).
Таблица 1
Уровни и площади водной поверхности в водоеме Аршань-Зельмень
Дата Площадь, км2 Весна, начало лета Лето, осень
Урез воды, м
Июль 1956 г 5,14 27,2
5 мая 1983 г 3,43 26,3
5 июня 1990 г 8,07 29,6
6 июля 1991 г 7,90 28,6
29 сентября 1999 г 2,97 26,0
6 июля 2001 г 4,31 26,8
25 мая 2003 г 5,87 27,7
14 сентября 2004 г 6,26 28,0
Минерализация водоема изменяется в пределах от 7,7 до 2,7 г/л и сильно зависит от водности года. Совместный анализ данных ретроспективного мониторинга и полевых исследований позволили выявить зависимость минерализации поверхностных вод от площади водного зеркала. Рассчитанный коэффициент корреляции между значениями площади и минерализации водоема Аршань-Зельмень оказался очень высок - 0,86, что свидетельствует о высокой тесноте связей между этими параметрами и открывает возможность в дальнейшем использовать этот коэффициент при мониторинговых исследованиях для оценки минерализации вод через отметку уровня воды.
Водохранилище Цаган-Нур (Сарпа) было создано в 1962 г. с началом строительства Сарпинской обвод-нительно-оросительной системы. Основное назначение водоема - водоприемник дренажно-сбросных вод, поступающих по каналам ВР-1 и ГКС с рисовых орошаемых массивов. По результатам ретроспективного мониторинга данных ДЗЗ максимальное наполнение
озера наблюдалось в 2004 г. (60,8 км2), минимальное -в 1999 г (36,40 км2). Изменение уровня водохранилища в эти годы составило - 0,9 м (табл. 2). В среднем ежегодное сезонное изменение уровня происходит от 0,2 до 0,6 м. Совместный анализ данных ретроспективного мониторинга и полевых исследований позволили выявить зависимость минерализации поверхностных вод от площади водного зеркала. Коэффициент корреляции между значениями площади и минерализации оказался еще выше, чем на предыдущем водоеме - 0,95.
Таблица 2
Уровни и площади водной поверхности в водохранилище Цаган-Нур
Дата Площадь, км2 Весна, начало лета Лето, осень
Урез воды, м
8 мая 1978 г 55,4 -1,0
5 мая 1983 г 53,19 -1,2
Сентябрь 1993 г 37,08 -1,8
29 сентября 1999 г 36,40 -1,9
6 июля 2001 г 45,41 -1,4
22 мая 2002 г 50,17 -1,3
30 апреля 2003 г 59,27 -0,68
24 марта 2004 г 60,80 -0,65
Водохранилище Деед-Хулсун создано в 70-80 гг. в устье самой большой из малых рек Калмыкии - р. Яш-куль. Питание водоема помимо р. Яшкуль происходит за счет атмосферных осадков, грунтовых вод и сбросных вод Черноземельского коллектора. Водоем используется для лиманного орошения, рыбоводства, рекреации и для водопоя скота. По результатам ретроспективного мониторинга данных ДЗЗ максимальное наполнение водоема наблюдалось в 1988 г., площадь его составила 17,21 км2, минимальное наполнение в 1999 г. - 6,54 км2 . Изменение уровня водохранилища в эти годы составило - 1,45 м (табл. 3). В среднем ежегодное изменение уровня происходит от 0,6 до 0,8 м. Протяженность ежегодно обсыхающей полосы дна озера - современной флуктуационной части экотона составляет 6 м2 .
Чограйское водохранилище было создано в 1969 г. на р. Восточный Маныч. Имеет комплексное назначение и используется в настоящее время для орошения, бытового водоснабжения, промыслового рыболовства, рекреации. Пополняется водохранилище водами местного стока, р. Кумы и Терека, поступающих по Кумо-Манычскому каналу, а также водами р. Чограй, Голубь и Рагули. Чограйское водохранилище простирается с запада на восток на 48,8 км. Наибольшая ширина у плотины - 8,8 км. По данным ретроспективного мониторинга материалов космической информации максимальное наполнение водохранилища отмечено в 1969 г., в период ввода в эксплуатацию его площадь составила 193 км2. За 20-летний период наблюдений площадь сократилась до 130,4 км2 (табл. 4).
Таблица 3
Уровни и площади водной поверхности в водоеме Деед-Хулсун
Дата Площадь, км2 Весна, начало лета Лето, осень
Урез воды, м
5 июня 1975 г 7,31 -8,55
17 сентября 1988 г 17,21 -7,2
12 июня 1991 г 15,50 -7,4
Июнь 1993 г 14,34 -7,5
29 сентября 1999 г 6,54 -8,65
19 мая 2001 г 11,97 -8,0
23 сентября 2003 г 12,86 -7,8
19 сентября 2004 г 13,14 -7,7
Минимальная площадь была отмечена в том же 1999 г. - 113,4 км2. Уровень водохранилища за эти годы снизился на 3,2 м. Минерализация воды в водохранилище колеблется от 1,5 - 1,8 г/л в приплотинной части и до 3-4 и более г/л в верхней половине водоема, что делает его непригодным для использования в целях, для которых он создавался,- орошения и питьевого водоснабжения.
Таблица 4
Уровни и площади водной поверхности в Чограйском водохранилище
Дата Площадь, км2 Весна, начало лета Лето, осень
Урез воды, м
Топокарта(1971-73 гг) 188,4 24,2
5 мая 1975 г 142,5 22,8
9 сентября 1991 г 132,7 22,2
29 сентября 1999 г 113,4 21,0
19 мая 2001 г 130,4 22,0
30 апреля 2003 г 130,6 22,1
Мониторинг в зоне воздействия водоема на прилегающие территории проводился с использованием концепции экотонной организации побережий. Наблюдения велись за растительностью, почвами, орнитокомплекса-ми. Все блоки экотонной системы вода-суша, выделенные В.С. Залетаевым [1]: аквальный, флуктуационный, динамический, дистантный, маргинальный и амфиби-альный, представлены на побережьях изучаемых водоемов. Наибольшую площадь занимает территория
флуктуационного блока, периодически заливаемой суши в период весеннего подъема уровня водоема. Доминирование во флуктуационном блоке галофильной растительности является следствием поверхностного засоления почв в горизонте 0-10 см. Ширина блока изменяется от 200 м до 2 км на «боковых» частях водоемов и в привершинной части - от 2,25 до 7,66 км. Максимальные значения отмечены на водоемах Чограйский, Цаган-Нур, Ханата. Именно здесь находятся места максимального видового разнообразия гидрофильной растительности, гнездования птиц и их скоплений во время миграций [2]. В экотонной системе побережий водоемов встречены гидроморфные почвы: болотные иловатые засоленные солончаковатые, лугово-болотные засоленные солончаковатые, луговые, аллювиально-луговые, аллювиально-луговые дерново-опустынивающиеся карбонатные, лугово-солончаковые, солончаки луговые и соровые; полугидроморфные почвы: лугово-каштановые и автоморфные: бурые полупустынные легкосуглинистые. Флористическое разнообразие экотонов представлено 179 видами, относящихся к 107 родам и 32 семействам. Фитоценотическое разнообразие представлено 53 растительными ассоциациями, относящимися к 24 формациям.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что разработанная методика геоэкологического мониторинга водоемов Калмыкии, сочетающая наземные и дистанционные методы исследований и использование ГИС технологии на основании базовой «Водохозяйственной карты Калмыкии», позволила получить данные об изменении гидрологического режима водоемов во времени и о взаимодействии водоемов с прилегающими территориями. Эта методика может быть успешно применена и для других водоемов без региональных ограничений.
В результате выполненных исследований получены данные о взаимосвязи площади, уровня водоемов и их минерализации. Высокая степень корреляции этих параметров позволяет в дальнейшем использовать для мониторинга наиболее легко определяемые параметры. Недостающие параметры можно получать расчетным методом, без наземных работ.
Литература
1. Залетаев В.С. // Экотоны в биосфере / Под ред. В.С. Залетаева. М., 1997.
2. Уланова С.С. // Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования: Материалы Междунар. симп. Оренбург, 2003. С. 535-537.
Институт водных проблем РАН, г. Москва_24 ноября 2006 г
