Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 6, стр. 74-82

ВВЕДЕНИЕ

На территории центральной части Российской Федерации сохранилось огромное количество торфяных месторождений, осушенных в период широкомасштабной добычи торфа в ХХ в. В целом, на территории Центрального и Центрально-Черноземного экономических районов находится 18 594 торфяных болот. Торфяные ресурсы размещены на 13 801 торфяном месторождении и оцениваются в 4.7 млрд т [1]. Площадь, покрываемая торфяными месторождениями, оценивается примерно в 3.6 млн га. Добыча торфа велась на небольшой части этих месторождений, и на сегодняшний день площадь выработанных торфяников в Центральной России составляет около 630 тыс. га. Из них используются только 20–30% от всех площадей [3]. Остальные торфяники сохраняют следы деятельности человека и негативно влияют на экологию целых регионов, что проявляется в выбросах парниковых газов, а также регулярно возникающих здесь пожарах [5]. Начиная с 2010–2011 гг. в центральной России начался проект обводнения болот в Московской обл. (обводнено около 70 тыс. га) и по вторичному обводнению нарушенных торфяников (PeatRUS), который реализуется пока в 8 регионах, и на сегодня обводнено около 85 тыс. га осушенных территорий. Реализация проектов до полного обводнения всей площади участков в зависимости от условий требует значительного времени – от 5 до 20 лет. И, тем не менее, сейчас можно оценить некоторые первичные результаты и при необходимости внести корректировки, а также разработать рекомендации для будущих проектов. Принимая во внимание те факты, что средняя площадь объектов вторичного обводнения составляет от 1 тыс. га и их территории имеют сложную проходимость, используются космический мониторинг для получения площадной картины поверхности, а также малые беспилотные летательные аппараты (дроны) для контроля локальных участков.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Основная цель данного исследования − сопоставление результатов использования разных методов дистанционного зондирования Земли для анализа динамики поверхностного покрова вторично обводненных торфяников, как одного из главных показателей качества реализованных проектов.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Дистанционные средства широко используются для контроля обводнения торфяников. Космическая съемка применяется для оценки состояния ранее разрабатываемых торфяников [2]. Используются сочетания разных каналов съемки для выявления особенностей гидрологии болот [10], контроля возникновения пожаров [12]. Проблема поиска и детектирования дренажных каналов обсуждается во многих источниках, например, [6, 7]. Используются высокодетальная съемка и объектное выделение дренажных каналов на основе высокодетальной космической съемки [8]. Естественно высокодетальные космические снимки применяют и для картографирования болот [13]. Начинают привлекать и беспилотные летательные аппараты для специализированных текстурных классификаций [11].

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Разрабатываемый подход демонстрируется на примере торфяного месторождения Оршинский мох. Это верховое болото, расположенное в 25 км севернее от г. Тверь, занимает площадь около 65 тыс. га в нулевых границах. Большая часть болота является особо охраняемой природной территорией. Широкомасштабная добыча торфа здесь велась в юго-западной и западной частях с начала ХХ в. и до 1980-х годов. В небольшой степени добыча торфа сохраняется и сегодня. Тем не менее, основные территории представляют собой технологические карты, оставшиеся после фрезерного способа добычи торфа, с сохранившейся и частично функционирующей осушительной сетью. Этот объект был обводнен одним из первых, так как здесь наблюдались значительные пожары с начала столетия. Проект обводнения реализовывался в несколько этапов начиная с 2014 г. и затрагивал разные нарушенные части. Теперь это единая территория площадью 5 400 га (рис. 1) [4].

Рис. 1.

Объект исследования – ЮЗ часть болота Оршинский мох (цифрами указаны номера фрезерных полей).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве основной спутниковой информации использовались следующие данные:

• Corona (2 m/pix) – исторические сведения 1960–1970 гг.;

• Landsat 1–5 (30 м/пикс) – данные за период 1985–2012 гг.;

• Landsat 7 (15 м/пикс) – данные за период 1999–2003 гг.;

• Landsat 8 (15 м/пикс) – данные после 2013 г.;

• Sentinel 2A (10 м/пикс) – данные после 2015 г.;

• Planet (3 м/пикс) – данные после 2016 г.;

• Коммерческие снимки высокого разрешения (0.5 м/пикс) – с 2000 г.;

• Дрон DJI Phantom 4 (2 см/пикс) – с 2017 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Спутниковые данные на рассматриваемую территорию удалось найти с 1970 г., когда здесь велась активная добыча торфа фрезерным способом. Динамика изменения характера поверхности представлена на рис. 2. На снимке (рис. 2а) в видимой части спектра видны открытые фрезерные поля без какой бы то ни было растительности. Добыча торфа прекращалась неравномерно, по мере истощения слоя торфа. Это была западная часть участка, наиболее близко расположенная к нулевой границе. И уже по состоянию на 2000 г. здесь наблюдалась лесная растительность – береза, сосна, ель, высотой до 10 м. На участках добычи, где работы продолжались до конца 1980-х годов (восточная и южная части), сохранилась открытая поверхность торфа, представляющая повышенную пожарную опасность.

Рис. 2.

Динамика поверхности участков добычи торфа на т/м Оршинский мох: а – активная добыча торфа (26.07.1970), б – заброшенные торфяные поля до обводнения (29.09.2000), в – реализация проекта обводнения (26.07.2014), г – современное состояние (13.06.2019).

Сравнивая разрешение разных источников, можно выстроить иерархию, представленную на рис. 3.

Рис. 3.

Сравнение разрешений различных источников дистанционного зондирования.

На рассматриваемой территории было выделено четыре мониторинговых площадки 100 × 100 м для детального анализа изменений и сбора как полевых данных (гидрологических, ботанических, основных свойств торфа и др.), так и дистанционного зондирования. Площадки приурочены к проектам, реализованным в разное время, что позволяет оценить процесс вторичного обводнения и восстановления болотных экосистем на разных этапах.

Следует отметить, что беспилотники дают возможность следить за ситуацией на конкретных мониторинговых точках. Этими точками могут быть и характерные участки на обводненной территории. Съемка в идентичные периоды времени позволяет выявить общую тенденцию, а также отслеживать состояние отдельных гидротехнических сооружений, выполняющих наиболее важные функции. На рис. 4 представлена динамика ситуации в близи грунтовых перемычек за двухлетний период – до проекта обводнения (август 2018 г.), через год (2019 г.) и через 2 года после его реализации (2020 г.).

Рис. 4.

Динамика изменения поверхности вблизи грунтовой дамбы: а – август 2018 г., б – июнь 2019 г., в – июнь 2020 г.

Площадки располагаются на территории разных типов растительных сообществ, что позволяет изучать изменения на каждом из них (рис. 5).

Рис. 5.

Мониторинговые площадки на т/м Оршинский мох.

Беспилотные летательные аппараты малой высотности (БПЛА) – дроны, позволяют получать качественное изображение поверхности с разрешением 2 см/пикс. Для примера на рис. 6 приведены снимки площадки 1 и 2 в разные сезоны года.

Рис. 6.

Динамика изменения растительности на участках 1 и 2 (снимок с дрона).

Общее изменение в характере растительности можно оценить с помощью индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – количественный показатель фотосинтетически активной биомассы. На рис. 7 приведены значения индекса NDVI, полученного на основе съемки Landsat/Sentinel для тестового участка. Желто-красными оттенками показаны зоны с редкой растительностью или без нее, зелеными − участки с густой и здоровой растительностью. Изменение индекса показывает наличие сезонной динамики и определенное увеличение густоты растительности к 2015 г.

Рис. 7.

Динамика растительности на объекте исследования.

Было проведено картирование новой растительности на основании снимков PlanetScope с разрешением 3 м/пикс. С помощью индекса NDVI, рассчитанного по снимкам PlanetScope (2016–2019 гг.), проанализирована площадь водного зеркала (рис. 8). Синим цветом на рис. 8 представлена площадь нового водного зеркала, появившегося в период 2016–2019 гг., зеленым – участки новой растительности, большинство из них появилось в наиболее сухой части рассматриваемой территории, что свидетельствует об изменении уровня болотных вод. Данный уровень на торфяниках не имеет горизонтальную поверхность и может существенно меняться в зависимости от множества факторов – рельефа дна и искусственной поверхности торфяных полей, плотности и степени разложения торфа, которые также определяются существующим рельефом поверхности.

Рис. 8.

Результаты обводнения.

Анализ высокодетальных данных PlanetScope показывает увеличение участков с новой растительностью с 2016 г. на 15.6%, а площадь, занятая открытой водой, увеличилась на 3.5% исследуемой территории. С помощью БПЛА было установлено, что большая часть новой растительности приурочена к сильно обводненным участкам и является влаголюбивой. Таким образом, можно констатировать снижение пожароопасной площади как минимум на 19% за трехлетний период.

Согласно данных NASA FIRMS [9], самое большое количество пожаров на рассматриваемом участке торфяника было зарегистрировано в период 2002–2008 г. – 700 очагов за 8 лет (рис. 9). В следующий период количество пожаров немногим стало меньше, что можно связать с естественными процессами повторного заболачивания в следствии естественного засорения осушительной сети и уменьшения стока с участка. Тем не менее, было отмечено около 600 очагов. Самые значительные пожары фиксировались здесь в 2008, 2010 и 2012 гг.

Рис. 9.

Динамика появления очагов пожаров на участке.

Рассматриваемый участок – часть верхового болота, основным источником водного питания которого являются атмосферные осадки. Согласно данных Росгидромета, годовое количество осадков в 2008 и 2012 гг. относительно других лет наблюдений было значительно выше (рис. 10). И, тем не менее, пожары возникали. В эти годы отмечалось не только большое количество очагов возгораний, но и значительные площади распространения огня. После 2014 г. годовое количество осадков стало меньше, но при этом очагов пожаров не было отмечено. Достаточно очевидно, что основой причиной пожаров является человеческий фактор. И в любом случае никакой объект не застрахован от новых возгораний. Но весомым является тот факт, что даже при возникновении очага пожара и при высокой влажности поверхностного слоя торфа, распространение такого пожара невозможно на большие площади.

Рис. 10.

Годовое количество осадков в период 2005–2019 гг.

Проект вторичного обводнения был реализован в 2014 г. Более того, Министерством лесного хозяйства Тверской обл. также проводится ряд мероприятий по недопущению и раннему предотвращению торфяных пожаров. И в результате всех проведенных мероприятий после 2015 г. очагов возгорания на данном участке торфяного месторождения не было зафиксировано.

ВЫВОДЫ

1. Данные дистанционного зондирования могут быть использованы для высоко эффективного мониторинга восстановления торфяников.

2. Использование иерархически организованных данных позволяет улучшить результаты наблюдений.

3. Данные с разрешением 3 м/пикс дают более детальные результаты.

4. Анализ динамики поверхностного покрова т/м Оршинский мох выявил несколько эффектов:

− значительное уменьшение торфяных пожаров (после 2015 г. пожары не были зарегистрированы);

− увеличение новых зон с открытой водой на 3.5% от исследуемой территории;

− увеличение новых районов с влаголюбивой растительностью на 15.6% от исследуемой территории.

ПЕРСПЕКТИВЫ

1. Следует разработать детальный метод картирования растительности на ключевых участках с помощью беспилотных летательных аппаратов (дронов).

2. Мониторинг с помощью дистанционного зондирования должен быть продолжен на т/м Оршинский мох и на других торфяниках, где были реализованы проекты вторичного обводнения.