Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 5, стр. 662-678

Исследование динамики дельт по космическим снимкам

В. И. Кравцова *

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119992 Москва, Россия

* E-mail: valentinamsu@yandex.ru

Поступила в редакцию 14.11.2021
После доработки 26.01.2022
Принята к публикации 29.03.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Дан обзор совместных исследований кафедры гидрологии суши и лаборатории аэрокосмических методов географического факультета МГУ по изучению динамики речных дельт на основе космических снимков. Изложены основные положения методики исследования динамики дельт, связанные с выбором разновременных космических снимков, обеспечением их геометрической, спектральной, содержательной сопоставимости; охарактеризовано соотношение визуальных и автоматизированных методов обработки снимков. Приведена краткая характеристика фонда необходимых космических снимков и карт. Обсуждены результаты исследования долговременной динамики дельт по старым картам и современным снимкам (дельта Дуная), изучения динамики дельт, связанной с изменением климата (Лена, Енисей, Северная Двина), с крупномасштабными колебаниями уровней Аральского и Каспийского морей (Амударья, Урал, Терек, Сулак, Кура) и с интенсивным хозяйственным освоением (Дунай), а также мониторинга переформирования дельт при изменении направления речного стока (Хуанхэ).

Ключевые слова: устья рек, сток наносов, дельтоформирование, динамика дельт, разновременные космические снимки, изменение климата.

ВВЕДЕНИЕ

Созданная В.Н. Михайловым московская школа исследования устьевых областей рек и происходящих в них процессов рассматривает устья как особые географические объекты, динамично развивающиеся под влиянием речных и морских факторов. Речные факторы, преимущественно аккумуляция приносимых рекой наносов, и морские, главным образом способствующие размыву отложений, находятся в постоянном взаимодействии, а формирующиеся устьевые формы динамичны, меняются со временем в зависимости от соотношения этих факторов. Взаимодействие реки и приемного водоема, проявляющееся в формировании различных типов устьевых областей, нашло отражение в разработанных В.Н. Михайловым и С.Л. Гориным новых принципах районирования и типизации устьев рек [25]. В связи с этим особое внимание уделяется исследованиям динамики дельт, позволяющим по серии временны́х срезов судить о стадии развития дельты, а значит и о возможном состоянии дельты в будущем, что необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории. Исключительное значение динамического аспекта в исследованиях дельт отражает и подзаголовок классической монографии В.Н. Михайлова об устьях рек России: “Прошлое, настоящее и будущее” [24].

Интерес к исследованиям дельтоформирования всегда отличал российскую школу изучения устьев рек, но возможности картографической фиксации динамики дельт были достаточно ограниченными в связи с необходимостью применения трудновыполнимых специальных гидрографических съемок или использования топографических карт, появившихся на основе инструментальных съемок лишь с середины XIX в. Тем не менее в отдельных случаях такую работу удавалось выполнить. В качестве одного из примеров можно назвать замечательные многовременные серии схем динамики дельт Сулака, Куры, включающие до 11 временны́х срезов, в [24, 33].

Появление космической съемки и ее регулярное выполнение коренным образом изменило ситуацию и открыло широкие возможности изучения динамики дельт. Они реализованы в совместных работах кафедры гидрологии суши и лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ. Эта лаборатория, сотрудничавшая с Институтом космических исследований РАН, участвовала в разработке методов космической съемки и ее применения в географических исследованиях. Здесь были созданы и изданы на трех языках (при международном сотрудничестве, по линии Совета Интеркосмос) атласы по дешифрированию новых для географов многозональных снимков [3]. Среди изучаемых по снимкам объектов были и речные дельты. Один из начальных снимков, полученных сразу после запуска в 1972 г. первого американского ресурсного спутника ERTS (впоследствии − спутник Landsat, ставший основным в исследованиях земной поверхности), охватывал дельту Дуная и сразу был использован для изучения ее динамики при сравнении со старыми картами [21]. С накоплением с 1970-х гг. материалов космической съемки выполнены исследования резко изменявшихся при усыхании Арала дельт Амударьи и Сырдарьи, реакции дельт Терека, Сулака, Куры на колебания уровня Каспия. На этом этапе последовало предложение кафедры гидрологии суши о совместных работах по изучению динамики дельт на основе космических снимков. В.Н. Михайлов обратился к автору статьи с просьбой на основе накопленного опыта работы с космическими снимками обобщить методику их использования для анализа динамики дельт. Сотрудничество началось с этой заказанной статьи, опубликованной в 2001 г. [6], которую и сейчас можно рассматривать как основное рамочное руководство по анализу динамики дельт на основе космических снимков. С тех пор кардинально изменились снимки, стало высоким их пространственное и спектральное разрешение, увеличилась повторяемость съемок, ставших регулярными, расширились возможности доступа к ним, а методы работы со снимками решительно перешли на уровень автоматизации. Однако главные методические положения исследований динамики дельт по разновременным материалам съемок, сформулированные при преимущественно визуальных методах работы со снимками, оказались актуальными и в новых условиях. Задача настоящей статьи – представить в обобщенном виде методику исследования динамики дельт, выявить ее особенности при различных направлениях исследований в зависимости от факторов динамики, показать значительное разнообразие используемых методических приемов и картографического представления динамики дельт, отразить главные научные результаты исследований.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ДЕЛЬТ – ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При исследованиях динамики дельт по разновременным космическим снимкам важнейшая задача – правильный выбор снимков. Сравниваемые снимки должны быть получены при одинаковом или близком уровне воды в реке, с учетом многолетних колебаний уровня. Изучению многолетних изменений не должны мешать сезонные и кратковременные колебания уровня воды. Поэтому необходимо использовать снимки, полученные в период летней межени и при отсутствии сгонно-нагонных явлений. В случае приливных дельт сложно обеспечивать одинаковую или близкую фазу прилива–отлива на сравниваемых снимках.

Важнейший элемент методики – обеспечение сопоставимости используемых материалов – геометрической, спектральной, содержательной. Геометрическая сопоставимость обеспечивается приведением разновременных материалов к общей проекции и масштабу. Спектральная сопоставимость предусматривает использование для сравнения снимков в близких спектральных зонах (как правило, это зоны ближнего инфракрасного диапазона, обеспечивающего наилучшую разделимость воды и суши по яркости изображения). Содержательная сопоставимость снимков достигается близкой зоной спектра и близким разрешением сравниваемых изображений. Обеспечение сопоставимости особенно важно в случае использования разновременных снимков с разных спутников, полученных различными съемочными системами, например, ставшее типичным использование снимков Sentinel, характеризующих современное состояние дельты, и снимков Landsat 1970–1980-х гг.

Основной фонд материалов для исследования изменений дельт включает в себя, помимо космических снимков, картографические источники – материалы государственных топографических съемок, по которым возможно изучение динамики любых районов России начиная со столистной карты Российской империи масштаба 1 : 840 000, составленной на основе съемок Генерального межевания и съемок губернских правлений. Особо значимы реально используемые гидрологами составленные Корпусом военных топографов по материалам крупномасштабных мензульных съемок трехверстная (1 : 126 000) и Специальная десятиверстная (1 : 420 000) карты Европейской России; последняя, на 152 листах, была завершена к 1871 г. и переиздавалась до 1930-х гг. К 1942 г. на основе аэрофотосъемки созданы карты масштаба 1 : 100 000 Европейской части СССР, к середине 1950-х гг. – аналогичные карты всей территории СССР, а в конце 1980-х гг. завершено картографирование страны в масштабе 1 : 25 000.

С развитием дистанционных методов исследований к фонду картографических материалов с 1930-х гг. добавляются аэрофотоснимки, а с 1960-х гг. – космические снимки. Съемка территории всей страны в 1980-х гг. с отечественных спутников системы “Ресурс-Ф”, с которых получали детальные фотографические снимки (масштаб 1 : 1 000 000 с разрешением 20–30 м и 1 : 200 000 с разрешением 10 м), потенциально обеспечивает составление базовых карт для последующего мониторинга состояния дельт, а регулярная передача снимков спутниками оперативной съемочной системы “Ресурс-О” (сканеры среднего (140–170 м) и высокого (35–45 м) разрешения) открывает возможность исследования межгодовой и сезонной динамики дельт в последние десятилетия. С начала 1970-х гг. к ним добавляются регулярно получаемые сканерные снимки с американских спутников Landsat (с 1972 г. с разрешением 80 м, а с 1984 г. – 30 м), вначале дорогие, а теперь получившие свободное распространение. Начало XX в. характеризуется кардинальным улучшением пространственного и спектрального разрешения космических снимков, расширением круга стран, ведущих космическую съемку, облегчением доступа к снимкам и их выбора для конкретных видов исследований. В числе других материалов для изучения современного состояния дельт наибольшее значение приобретают начавшие поступать с 2013 г. снимки с европейского спутника Sentinel с усовершенствованными спектральными каналами, разрешением в важнейших из них до 10 м, высокой повторяемостью съемки и возможностью свободного доступа к ним.

Методы исследования динамики дельт варьируют при различных сочетаниях исходных материалов – разновременных карт и снимков. Геоинформационные технологии позволяют сравнивать разновременные изображения непосредственно на экране компьютера с использованием операций “оверлей” (открытие части одного изображения над другим с помощью “шторки” или “окна”, поочередное изменение прозрачности изображений). Совмещение полутонового изображения снимка в растровом формате и графического изображения карты в векторном формате осуществляется в программных пакетах ERDAS, IDRISI, EPPL-7, ARCVIEW, ARCGIS, QGIS.

Совмещение на экране двух или нескольких полутоновых изображений обычно приводит к сложному смешению тонов, дает нечитаемое, с трудом дешифрируемое изображение. Чтобы обеспечить лучшее восприятие, прибегают к предварительной подготовке сравниваемых изображений, упрощают их; например, разделяют методами яркостного квантования самые главные объекты – сушу и воду, для чего обычно используют снимки в ближней инфракрасной зоне. При совмещении двух таких разновременных изображений, окрашенных в контрастные цвета (например, синий и красный), этими цветами выявляются участки изменений береговой линии – появления воды на месте суши или появления суши на месте воды.

При работе с серией разновременных снимков с одного спутника возможен также синтез цветного изображения с использованием в качестве исходных “зональных” изображений снимков за разные даты в одной и той же спектральной зоне. Этот метод эффективен в случае значительных изменений четко выраженных объектов. Например, так удалось наблюдать на одном изображении рост и перемещение в последние два десятилетия Сулакской косы, отделяющей бух. Сулак севернее одноименной дельты.

С развитием геоинформационных исследований стали использовать алгоритмы классификации объектов по разновременным снимкам, идея которых – выделение разных типов изменений природных и хозяйственных объектов, что представляет довольно сложную задачу. Более простым, хотя и требующим длительной работы, оказывается путь поочередного дешифрирования разновременных снимков (визуального или на основе компьютерной классификации) с последующим сравнением результатов дешифрирования, которое в свою очередь также может выполняться на основе автоматизации. Объективное автоматизированное количественное определение произошедших изменений необходимо сочетать с содержательным визуальным дешифрированием изменений дельты.

Изучение динамки дельт в долговременном аспекте (многовековой динамики) бывает возможно при использовании одиночных снимков, на которых косвенно отображаются этапы формирования дельты, зафиксированные в формах рельефа и чертах ландшафта территории. В этом случае используется индикационное дешифрирование, которое выполняется высококвалифицированным специалистом с привлечением материалов полевых исследований, палеогеографических данных. В итоге составляются карты истории формирования дельты.

Результаты анализа разновременных карт и снимков могут быть представлены в различной картографической форме начиная от серий простых разновременных карт береговой линии и гидрографической сети, карт изменения площади дельты (с выделением участков ее нарастания, размыва или затопления) и изменений гидрографической сети и кончая более сложными картами динамики природных и антропогенных ландшафтов дельты. Легенды таких карт обычно предусматривают разделение всех объектов на неизменившиеся и претерпевшие изменения; для последних целесообразно указывать их прежнее и современное состояние. Наибольшую четкость восприятия обеспечивает матричная легенда, в которой по диагонали матрицы располагаются неизменившиеся объекты, а по разные стороны от нее – разнонаправленные изменения (в сторону гидроморфизации и ксерофитизации ландшафтов). Предложены компьютерные технологии создания таких карт. Особый тип карт динамики дельт, создаваемых по результатам индикационного дешифрирования и палеогеографических исследований, – карты, отражающие историю формирования дельт.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ДЕЛЬТ

Рассмотренные выше варианты различных методик исследования динамики дельт по космическим снимкам реализованы в многолетних работах автора, выполнявшихся по инициативе и под руководством В.Н. Михайлова. Они охватили более десятка дельт, изменения которых определялись различными факторами и исследовались за разные временны́е интервалы. Исследования динамики изменялись также в связи с развитием методов космической съемки.

Появление в начале 1970-х гг. космических снимков достаточно высокого разрешения при охвате, обеспечивающем отображение дельты в целом, дало толчок исследованиям долговременной (вековой) динамики дельт на основе сопоставления появившихся снимков, отражающих современное состояние дельт, со старыми картами. Оптимальными из инструментально зафиксировавших состояние дельт в прошлом признаны карты, созданные Корпусом военных топографов в середине – второй половине XIX в., сравнение с которыми обеспечивает изучение вековой динамики. Вначале главным была именно фиксация произошедших изменений, а затем анализировались их причины.

Мощным стимулом к исследованиям динамики дельт стали климатические изменения в системе планеты Земля – потепление климата, вызвавшее отклик во всех компонентах ее экосистемы. Особенно сильно оно проявилось в Арктике, что определило интерес к исследованиям динамики дельт северных рек. В этом случае целесообразны длительные периоды между датами фиксации изменений, в течение которых изменения могли бы проявиться наилучшим образом. Поэтому исследователи обращаются к привлечению старых карт, создававшихся до космических исследований, к сравнению их с появившимися космическими снимками, которые в свою очередь сравниваются с наиболее современными съемочными материалами.

Особый интерес представляют исследования, связанные с природными катастрофами – Аральским кризисом, падением уровня Аральского моря с 1960-х гг., непосредственно связанным с неумеренным использованием стока рек Амударьи и Сырдарьи и состоянием их дельт, фиксировавшимся космическими снимками. Подъем уровня Каспия в 1977–1995 гг. после длительного периода его падения в первой половине XX в. вызвал мощный всплеск исследований каспийских дельт, на примере которых оказалось возможным моделировать реакцию береговых зон и дельт рек на изменения уровня Мирового океана, ожидаемые при потеплении климата. Важно, что космическими съемками было обеспечено исследование динамики каспийских дельт на разных стадиях: в 1978–1995 гг. подъема на 2.3 м, затем к 2003 г. опускания на 0.5 м и последующих колебаний уровня около –27 м.

Развитие космических съемок и накопление их материалов побудило исследовать изменения за различные периоды, например, по интервалам в десятки лет, что было наиболее актуальным для районов динамичного хозяйственного освоения территории дельт.

Регулярность выполнения космической съемки с одного и того же спутника обеспечила возможность длительного квази-ежегодного мониторинга в районах проведения в дельтах крупных гидротехнических мероприятий, например при искусственном изменении направления стока, что в свою очередь обусловливает быстрые изменения дельт; стало возможным детально наблюдать процессы формирования новых дельтовых лопастей и размыва старых.

В соответствии со столь широким спектром задач проведенные исследования динамики дельт распределились по следующим направлениям:

исследования долговременной динамики дельт по старым картам и современным космическим снимкам;

исследования динамики дельт в связи с потеплением климата при сравнении топографических карт с космическими снимками и по разновременным космическим снимкам;

исследования динамики дельт при колебаниях уровня моря по разновременным космическим снимкам на разные фазы колебаний уровня;

мониторинг состояния дельт с интервалом в десятилетия в районах активного хозяйственного освоения территории дельт;

регулярный квази-ежегодный мониторинг переформирования дельт при проведении крупных гидротехнических мероприятий.

Для каждого из этих направлений исследований выбраны наиболее целесообразные картографические и космические материалы и характерна своя специфика их использования. Важно, что результаты этих исследований зафиксированы картографически, и в ряде случаев по ним удалось получить уникальные географические закономерности. Далее рассмотрим исследования динамики дельт по названным направлениям.

ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ДЕЛЬТ ПО СТАРЫМ КАРТАМ И СОВРЕМЕННЫМ КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ

Уже первые космические изображения речных дельт, имевшие достаточный охват и разрешение для отображения их морфологических особенностей, начали использовать для изучения динамики дельт на основе сопоставления с ранее созданными картами. Как указано выше, приемлемая по точности инструментальная фиксация реализована картами Корпуса военных топографов середины – второй половины XIX в., сравнение с которыми обеспечивает изучение вековой динамики. Именно такой оказалась судьба одного из начальных снимков, полученных с первого ресурсного спутника Земли ERTS (Landsat) с изображением дельты Дуная. Хорошее по качеству изображение тогда получали еще не в цифровой форме, а в записи на магнитную ленту. Бумажные отпечатанные карты тоже еще не умели переводить в цифровой вид. Поэтому для сравнительного анализа двух этих изображений, их наложения одного на другое, пришлось фотопутем изготовить копию карты на прозрачной основе в масштабе снимка. Теперь такие операции выполняются комплексом программных средств “ChangeDetection”. Визуальное дешифрирование на снимках в первую очередь тех объектов, которые нашли отображение на карте, позволило выявить динамику гидрографической сети дельты: ее морского края, ее водотоков и водоемов, а также объектов ее поверхности – песчаных гряд, тростниковых плавней (рис. 1). Установлено, что за 1883–1972 гг. произошло нарастание дельты Килийского рук. (Килийской дельты), которая приросла на 175 км2 при средней скорости 2 км2/год, что связано с перераспределением стока воды и наносов по рукавам дельты в пользу Килийского рук. В районах устьев Сулинского и Георгиевского рукавов аккумуляция наносов приводила к формированию приустьевых кос в значительно меньшей степени, а восточный абразионно-аккумулятивный берег между устьями этих рукавов испытывал размыв и отступил на 1–1.5 км со скоростью 11–17 м/год. Конфигурация основных рукавов дельты не менялась, поскольку в середине XIX в. они были обвалованы для предотвращения наводнений. Расширилась озерная сеть дельты, и увеличилась обводненность плавней [21].

Рис. 1.

Вековая динамика дельты Дуная (1883–1972 гг.).: 1 – неизменившаяся береговая линия моря, озер, водотоков; 2 – изменившаяся береговая линия моря, озер, водотоков: – исчезнувшие к 1972 г. элементы гидрографической сети 1883 г., – появившиеся элементы гидрографической сети к 1972 г.; 3 – море в 1883 и 1972 гг.; 4 – участки моря, появившиеся к 1972 г. на месте плавней; 5 – участки моря, появившиеся к 1972 г. на месте песков; 6 – озера в 1883 и 1972 гг.; 7 – озера, появившиеся к 1972 г. на месте плавней; 8 – озера, появившиеся к 1972 г. на месте моря (морские заливы, превратившиеся в озера-лагуны, и озера на вновь образовавшихся участках дельты); 9 – плавни в 1883 и 1972 гг.; 10 – плавни, появившиеся к 1972 г. на месте озер; 11 – плавни, появившиеся к 1972 г. на месте песков; 12 – плавни, появившиеся к 1972 г. на месте моря (вновь образовавшиеся участки дельты); 13 – пески, существовавшие и в 1883, и в 1972 гг.; 14 – пески, появившиеся к 1972 г. на месте озер; 15 – пески, появившиеся к 1972 г. на месте плавней; 16 – пески, появившиеся к 1972 г. на месте моря (вновь образовавшиеся участки дельты и крупные аккумулятивные формы рельефа); 17 – повышенные участки террас и коренного берега. Антропогенные изменения: 18 – сельскохозяйственные земли, появившиеся к 1972 г. на месте плавней; 19 – лесопосадки, появившиеся к 1972 г. на месте песков; 20 – искусственные водоемы, появившиеся к 1972 г. на месте плавней. На врезке дана матричная легенда к карте динамики дельты Дуная за 1883–1972 гг.

В дальнейшем с получением новых космических снимков проводился мониторинг динамики дельты (1980, 2002, 2020 гг.), показавший продолжение выдвижения Килийской дельты и размыва ее морского края между устьями Сулинского и Георгиевского рукавов, а также существенные изменения поверхности дельты в связи с активизацией ее хозяйственного использования, что будет рассмотрено ниже.

ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ДЕЛЬТ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЕМ КЛИМАТА

На рубеже ХХ и ХХI вв. все более значительным становится влияние на экосистемы Земли потепления климата, особенно сильно проявляющееся в арктических широтах, где оно сопровождается активизацией размыва берегов северных морей. В связи с возобновлением действия Северного морского пути возникла задача – определить влияние потепления на состояние дельт рек, представляющих замыкающие звенья при выходе водного транспорта к океану. Исследованиями по посвященному Арктике проекту были охвачены дельты Лены, Енисея, Северной Двины.

Дельта Лены отличается большой стабильностью. Предпринимавшиеся ранее в работах ААНИИ по российско-немецкому проекту [1] попытки исследования динамики современной дельты по разновременным топографическим картам и аэрофотоснимкам за 1950–1991 гг. показали отсутствие изменений. В работах по арктическому проекту выполнено исследование динамики дельты с конца ХХ в. по настоящее время по космическим снимкам со спутника Landsat. При большой протяженности морского края дельты – более чем на 1500 км – характер ее берегов не одинаков. Поэтому в первую очередь было выполнено природное районирование дельты, на основе которого морской край дельты был разделен на семь участков, и для каждого из них фиксировались изменения. Из-за сложных погодных условий, необходимости безоблачных снимков на конец лета временнóй интервал определения изменений для отдельных участков был разным. В результате анализа разновременных снимков на большей части морского края дельты (97% его протяженности) изменения не были обнаружены, но для 3% выявлены изменения, и составлены карты динамики отдельных участков дельты. В западной части дельты Лены в устье рук. Оленёкского, где ранее сформировалась небольшая дельта выдвижения, в 1980–2003 гг. происходили размыв морского края и отступание берега со скоростью 20–30 м/год. Мелководья вокруг этой дельты также размывались, и материал размыва переносился вдольбереговым течением. В северной части дельты Лены вблизи устьев Туматских проток обнаружено неустойчивое положение береговой линии с чередованием участков выдвижения и отступания, а в северо-восточной части дельты на небольшом прямолинейном отрезке берега в 2005–2016 гг. зафиксирован его размыв с отступанием 15–30 м/год. Все обнаруженные изменения относятся к участкам выхода к морю рукавов, получающих меньшую долю стока Лены. У выхода рукавов с наибольшим водным стоком, как на участке включенной в дельту морской террасы, изменений не произошло и рост дельты нигде не отмечен [13].

В дельте Енисея исследование ее динамики было начато до существенного проявления изменений климата и выполнено на основе сопоставления обзорно-топографических карт масштаба 1 : 500 000 1955 г. с космическими снимками ETM/Landsat 1999 г. Карты были переведены в цифровую форму сканированием, просмотровые изображения Landsat ухудшенного разрешения получены через Интернет в цифровой форме. На промежуточном временнóм этапе осуществлялся контроль по снимкам MSS/Landsat 1973 г. Обработка карт и снимков, их взаимная привязка, трансформирование, совмещение и определение изменений проводились в программных пакетах ERDAS-8.3, ENVI-3.4, Mapinfo-5.0. Составленная в результате карта динамики дельты за 1955–1999 гг. и выполненные по ней картометрические работы показали, что к 2000 г. произошло нарастание площади дельтовых островов на 3.8%. Морской край дельты выдвигался в Енисейский залив со скоростью, достигавшей в ухвостьях островов 25 м/год. Для оголовков островов характерны процессы размыва суши, охватившие 1.5% площади дельтовых островов, со скоростью размыва <8 м/год. В результате морской край дельты продолжал выдвижение в Енисейский залив [22]. На начало XXI в. при усилившемся потеплении исследование динамики дельты Енисея повторено при сравнении снимков Landsat/ETM 1999 г. и Sentinel-2/MSI 2018 г. [8]. Для обеспечения сопоставимости снимков с разных спутников проведено их геометрическое и яркостное согласование. Составлена карта динамики дельты масштаба 1 : 200 000, отражающая интенсивность процессов размыва и аккумуляции, определяемую по скорости смещения береговой линии, составляющей здесь от 1 до 5 м/год. Анализ карты показывает, что дельта Енисея на рубеже веков перешла от медленного выдвижения в Енисейский залив, наблюдавшегося во второй половине XX в., к преобладанию процессов размыва морского края и берегов рукавов. В исследуемый период площади размыва в 9 раз превысили площади аккумуляции отложений.

Третья из исследованных в этой группе – дельта Северной Двины – представляет собой наиболее хозяйственно освоенную и урбанизированную дельту, в которой расположены крупные города Архангельск, Северодвинск, Североморск. Морское судоходство, начавшееся здесь с середины XVI в., обусловило наличие большого количества картографических материалов. Анализ исторических карт использовался исследователями для изучения динамики отдельных участков рукавов и островов дельты [2], но карты динамики дельты в целом никогда не создавались. Исследование изменений дельты в период потепления климата предпринято по разновременным космическим снимкам – 1977 г. (KeyHole), 2001 г. (Landsat/ETM+), 2020 г. (Sentinel-2/MSI). Отобраны снимки при безоблачной ситуации, полученные в период межени, при отсутствии нагонов и в близкой фазе прилива. Анализ этих разновременных космических снимков с учетом обзорно-топографических карт масштаба 1 : 500 000 1966 г. показывает, что в этой дельте с середины XX в. и до настоящего времени преобладают процессы аккумуляции отложений – продолжают нарастать в сторону суши выдвигающиеся в Двинской залив острова морского края дельты; в основных рукавах дельты увеличиваются площади русловых островов, малые русловые острова консолидируются и превращаются в более крупные, которые затем причленяются к левым берегам рукавов; благодаря развитию прирусловой растительности уменьшаются по ширине и исчезают небольшие водотоки на островах дельты. Однако активизация морских процессов при потеплении климата отразилась на появлении участков размыва на островах морского края со стороны Двинского залива, где береговая линия отступила до 200 м, т. е. со скоростью до 5 м/год. Продолжается отмечавшийся ранее постепенный размыв правых берегов основных рукавов дельты со средней скоростью до 1 м/год. Составленная карта динамики дельты отражает реальное соотношение этих процессов с существенным преобладанием аккумуляции отложений. Таким образом, исследование динамики дельты за 1977–2020 гг. показало, что в период потепления климата на фоне продолжающихся преобладающих процессов аккумуляции и нарастания площади островов дельты выявлены начавшиеся процессы размыва мористых берегов на островах вдоль морского края дельты.

В целом, карты динамики трех охваченных исследованиями дельт показывают, что в дельтах северных рек потепление климата вызвало некоторую активизацию процессов размыва, что в целом благоприятно для их транспортного использования.

ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ДЕЛЬТ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ УРОВНЯ МОРЯ

Аральский кризис

Космические снимки оказались важнейшим инструментом мониторинга крупнейшей экологической катастрофы XX в. – усыхания Аральского моря, связанного с изменениями стока впадающих в него рек Амударьи и Сырдарьи. До 1960-х гг. речной водный сток в Аральское море в среднем был равен испарению с его зеркала, уровень воды колебался около отметки 53 м. Изменения стока воды в результате хозяйственной деятельности в бассейнах рек стали определяющим фактором, вызвавшим понижение уровня, обмеление и расчленение Аральского моря. Дельты рек Амударьи и Сырдарьи, получавшие большой сток воды и наносов, до 1960-х гг. были одними из самых динамично развивающихся в мире. Они представляли собой яркие азональные объекты на фоне пустынь Средней Азии и обладали большим биоразнообразием и биопродуктивностью. В результате резкого антропогенного сокращения речного стока и падения уровня Аральского моря гидрографическая сеть и ландшафты дельт подверглись сильнейшей деградации [35].

Динамика дельты Амударьи в этот период исследовалась многими научными организациями, в том числе лабораторией аэрокосмических методов МГУ, по снимкам, получаемым со спутников системы “Ресурс-Ф” в масштабе 1 : 1 000 000 и 1 : 200 000. Они анализировались с 1974 по 1991 г. с интервалом 1–2 года [20]. К началу 1960-х гг. в дельте Амударьи функционировало шесть рукавов, а также сеть оросительных каналов. После начавшегося с 1961 г. снижения уровня моря число рукавов сократилось и снимки показали, что к середине 1970-х гг. в причлененной дельте Инженер-Узека остался лишь один главный рук. Урдабай с тремя разветвлениями. С падением уровня Арала началось пассивное выдвижение береговой линии в море. Сопоставительное дешифрирование серий разновременных снимков выявило, что сокращение речного стока и осушение обширных площадей бывшего морского дна Арала сопровождается сложными процессами трансформации дельтовых экосистем. На фоне региональной аридизации водохозяйственная деятельность – строительство дамб и плотин с целью перераспределения стока – вызвали увеличение локального обводнения, образование в дельте крупных внутренних водоемов, часто избыточно минерализованных, развитие гидрогенных ландшафтов. Для анализа изменений такого типа было предложено составлять карты особого вида – карты гидрогенных экосистем. По снимкам 1978 и 1988 гг. составлены карты состояния гидрогенных экосистем, сравнение которых позволило составить карту динамики гидрогенных экосистем дельты. Для понимания сущности происходящих изменений привлечены материалы полевых наблюдений на комплексных опорных профилях, выявившие процессы ксерофитизации, галофитизации, ксерогалофитизации при аридизации территории и процессы гидрофитизации и гидрогалофитизации при возрастании водности. Дополнительно составлена карта направленности динамики гидрогенных экосистем, показывающая, что процессы аридизации идут на территории осушенного дна Аральского моря, а в пределах дельты Амударьи преобладают процессы, связанные с увеличением искусственного обводнения [20]. На карте динамики ландшафтов дельты за 1975–1985 гг. наряду с площадями обсохшего морского дна в пределах дельты, существовавшей до падения уровня моря, появилось много новых водоемов, питавшихся сбросными водами. Обильное наполнение водой искусственных водоемов отобразилось на космических снимках дельты, сделанных в 1991, 2002, 2003 гг. Это стало одной из дополнительных причин прекращения стока Амударьи в Аральское море в 1991, 1997, 2001 гг. [35].

Колебания уровня Каспийского моря

Изучение дельт рек Каспийского моря представляет собой особый научный и практический интерес, так как на их примере исследуется воздействие на процессы дельтообразования значительных изменений уровня приемного водоема. Оценка этого воздействия весьма актуальна, поскольку позволяет прогнозировать возможную реакцию дельт рек мира на ожидаемое значительное повышение уровня мирового океана. В соответствии с принципами классической геоморфологии повышение уровня приемного водоема (общего базиса эрозии) всегда ведет к возникновению подпора, затоплению низменных участков побережья и отступанию береговой линии. Опыт исследования реакции дельт Каспия показывает, что эти положения не всегда соответствуют действительности. Повышение среднего уровня Каспия за 1977–1995 гг. на 2.35 м привело в устьях разных рек, впадающих в этот водоем, к разным последствиям [31]. В исследованиях дельт Каспия в этот период четко выделяются разные подходы: гидрологический, геоморфологический, ландшафтно-картографический [30]. Гидрологами применена концепция “подпорной призмы”, возникающей на приглубом устьевом взморье в результате повышения уровня моря (например, в дельтах Сулака, Куры, Терека).

Различия воздействия на дельты разных рек как снижения, так и повышения уровня Каспийского моря ярко проиллюстрированы ландшафтно-картографическим подходом – составленными для ряда дельт по аэроснимкам и космическим снимкам картами динамики их гидрографической сети и ландшафтов на разных этапах изменения уровня моря.

Инструментальные наблюдения за уровнем Каспия, проводившиеся с 1930-х гг., свидетельствуют о том, что вслед за понижением уровня моря (с –25.5 до –29.0 м БС к 1977 г.) произошло быстрое и резкое повышение уровня моря в 1977–1995 гг. (до –26.7 м БС, т. е. на 2.3 м), а затем его медленное снижение с 1995 по 2003 г. (до –27.2 м БС, т. е. на 0.5 м), после чего уровень колебался около отметки –27 м [30].

Переломный момент в изменении уровня оказался зафиксированным проведенной в 1978 г. высотной аэрофотосъемкой северо-западного побережья Каспия, охватившей Калмыцкое побережье, дельты Терека и Сулака. В это время регулярно выполняли фотографическую съемку и спутники “Ресурс-Ф”, а с середины 1980-х гг. начали поступать сканерные снимки достаточного разрешения с оперативных спутников “Ресурс-О” и стало возможным привлечение снимков с зарубежных спутников Landsat, SPOT. Карты динамики дельт Терека, Сулака начали составлять еще до завершения подъема уровня, воспользовавшись удачной фотосъемкой со спутника “Ресурс-Ф” 1991 г. для характеристики изменений за период наиболее резкого подъема (1978–1991 гг.), а затем последовали их дополнение до завершения подъема и анализ изменений в последующие годы. Как правило, составлялись карты состояния дельты (положения ее береговой линии, гидрографической сети, ландшафтов (экосистем)) на каждый временнóй срез, и при их сопоставлении получали карты изменений дельты за исследуемый период. На первых порах они составлялись при визуальном анализе снимков, в последующем осуществлен переход к использованию компьютерных средств “ChangeDetection” и работе в программах ERDAS, ILWIS, ArcMap.

Такие серии карт составлены для дельт Урала, Терека, Сулака и Куры, охватываемых каждая одним снимком, а для слишком большой по площади дельты Волги картографический анализ динамики ограничивался зоной морского края дельты.

Дельта Урала. При снижении уровня Каспия выдвижение дельты Урала в море носило “активно-пассивный” характер, что было связано как с отложением речных наносов, так и с падением уровня моря. Для периода подъема уровня в 1977–1995 гг., его последующего снижения и стабилизации выполнено картографирование дельты по нескольким временны́м срезам: 1975–1992–1995–2000–2003 гг. (рис. 2) [23]. Карты на эти годы и карты изменений по периодам показывают, что в период интенсивной трансгрессии в 1977–1992 гг. при подъеме уровня на 1.7 м была затоплена и затем заросла тростником с окнами открытой воды – лагунами – полоса берега шириной 15–25 км. Сухая дельта трансформировалась в заболоченную, плавневую. После 1992 г. при продолжении подъема уровня заросли тростника вблизи границы тростник–море начали разрушаться и береговая линия начала перемещаться в сторону суши, отступив к 1996 г. на 3–6 км. В 1996–2000 гг. при небольшом снижении уровня моря тростниковые заросли вновь начали разрастаться, их граница продвинулась в море до 1 км. От лагун остались лишь фрагменты с окнами открытой воды. Анализ серии профилей, показывающих глубины дна и распространение тростника, выявил “экологическую нишу” тростника (1.8 м) – эколого-географический результат, важный для многих отмелых побережий. В период падения уровня моря обнаружены сосредоточение стока в основном русле и отмирание боковых проток, возобновление стока по ним при подъеме уровня, а при его небольшом снижении после 1995 г. обводнившиеся ранее русла боковых проток вновь стали сухими. Для анализа небольших изменений в период относительной стабилизации уровня применены методы цветового синтезирования разновременных снимков в ближней инфракрасной зоне с их предварительным квантованием на объекты вода–суша, а также методы кластеризации и классификации разновременных синтезированных снимков. Но все они показали, что существенных однонаправленных изменений в дельте Урала при стабилизации уровня не произошло. Отсутствие определенной тенденции в изменении уровня моря привело к относительной стабилизации дельты, когда закончившийся подъем уровня уже не противостоит процессам дельтовой аккумуляции и эти процессы возобновляются.

Рис. 2.

Состояние дельты Урала на разных этапах изменения уровня моря: а – 1975 г.; б – 1992 г.; в – 1996 г.; г – 2000 г.

Дельта Терека. Сложная история дельтообразования в устьевой области Терека хорошо изучена гидрологами и геоморфологами. К началу XX в. в дельте Терека последовательно сформировалось несколько наложенно-причлененных дельт. В результате Каргалинского прорыва образовался новый мощный магистральный рукав. Со временем в вершине Аграханского залива, куда стал впадать этот рукав, началось активное формирование причлененной дельты – так называемой дельты Аликазгана. Быстрое выдвижение русла в залив и повышение отметок водной поверхности в русле увеличили опасность наводнений, и для сброса вод в случае катастрофического наводнения была сооружена прорезь через Аграханский п-ов, отделяющий залив от моря. В январе 1973 г. произошел прорыв перемычки прорези и в ее устье начала формироваться “новая” дельта. В октябре 1973 г. прорезь была перекрыта, но вновь открыта в августе 1977 г., и продолжилось формирование Новой дельты Терека в условиях повышения уровня моря. Изменения восточной части дельты Терека, включая дельту Аликазгана, Аграханский залив, Аграханский п-ов, представляющий собой крупную голоценовую морскую аккумулятивную форму, и Новую дельту Терека, исследованы по аэрокосмическим снимкам 1978, 1991, 1997 гг. На эти годы составлены карты дельты (включая характеристику гидрографической сети, форм берегового рельефа, растительности), а при их сопоставлении – карта динамики восточной части дельты за 1978–1991 гг. (рис. 3) [9]. Выявлены основные изменения, произошедшие при резком подъеме уровня моря, в том числе неожиданные. Продолжалась аккумуляция наносов в вершине дельты Аликазгана, а также вдоль рукавов и каналов дельты в бывшем Аграханском заливе, почти отчленившемся от моря. Несмотря на подъем уровня, продолжалось выдвижение Новой дельты в море. На морских побережьях Аграханского п-ова и о. Чечень сформировался барово-лагунный комплекс, что характерно для большинства отмелых побережий Каспия. Произошло обводнение плавней в бывшем Аграханском заливе и в восточной части Старой дельты Терека, а также гидрофитизация растительности вдоль песчаных дюн Аграханского п-ова и по понижениям рельефа на западном берегу Аграханского залива. Судьба Новой дельты Терека прослежена и в последующие годы небольшого снижения уровня моря и его стабилизации на отметках около –27 м по снимкам 2002, 2009, 2011 гг. Серия составленных по ним карт показала ее выдвижение почти на 3 км, рост площади до 17.25 км2, образование серий береговых баров и лагун [18]. Продемонстрирована решающая роль стока наносов, обеспечивающего формирование дельты даже в условиях подъема уровня приемного водоема (концепция “подпорной призмы”).

Рис. 3.

Динамика восточной части устьевой области Терека за 1978–1991 гг. I. Изменения: 1 – нарастание суши (выдвижение новой дельты Терека); 2 – затопление суши морем; 3 – появление открытых водных поверхностей (лагун, плавневых озер, открытых участков водохранилищ); 4 – появление разреженных, сильно обводненных тростниковых зарослей на месте сплошных, частичное затопление тростниковых плавней; 5 – появление гидрофильной растительности на участках подъема уровня грунтовых вод. II. Сохранившиеся объекты: 6 – водные поверхности (море, плавневые озера дельты); 7 – береговые валы; 8 – реки, каналы; 9 – тростниковые плавни; 10 – лугово-степная растительность дельтовых равнин; 11 – разреженная степная и псаммофитная растительность аккумулятивных песчаных равнин; 12 – пески, полузакрепленные растительностью; 13 – пески развеваемые, незакрепленные; 14 – солончаки; 15 – сельскохозяйственные поля; 16 – дамбы.

Дельта Сулака. История возникновения и развития современной дельты Сулака с 1862 г. прослежена по старым картам [34]. К 1957 г. вторая причлененная дельта имела протяженный дельтовый выступ на С на 9 км, отделявший бух. Сулак от моря. Чтобы предотвратить ее прогрессирующее заиление, сток Сулака в 1957 г. был выведен в море в юго-восточном направлении по искусственному каналу длиной ~2 км. В устье канала началось формирование третьей причлененной дельты (“новой”), к 1978 г. выдвинувшейся в море на 2 км. Волновой размыв восточной части “старой” дельты способствовал формированию песчаной косы на северной оконечности старого дельтового выступа, ориентированной на СЗ, перекрывшей вход в бух. Сулак [29] (рис. 4). Переформирование дельты при подъеме уровня моря в 1977–1995 гг. прослежено по космическим снимкам 1978, 1991, 1997 гг., по которым составлены карты дельты за эти годы и ее изменений за эти периоды [14]. Они показали размыв Старой и Новой дельт выдвижения с их восточной стороны; образование, а затем зарастание вдольбереговых лагун; затопление северо-восточной части Старой дельты; образование косы, почти отчленившей бух. Сулак. Эти процессы особенно отчетливо проявились в 1978–1991 гг. В 1991–1997 гг., в период завершения подъема уровня моря, а затем его некоторого снижения, темп изменения дельты несколько снизился, зато отчетливо проявились инерционные процессы гидроморфизации растительного покрова береговой зоны, связанные с повышением уровня грунтовых вод. С использованием приема цветового синтеза разновременных снимков удалось получить одновременное изображение образования и перемещения в западном направлении Сулакской косы. Наблюдения и картографирование изменений были продолжены до 2009 г. [17]. Составлены карты природно-территориальных комплексов дельты в 1997 и 2009 гг. и их изменений за этот период, которые оказались небольшими – продолжение размыва Новой дельты, небольшое перемещение к З Сулакской косы, зарастание тростником мелководной южной части бух. Сулак, смена процессов гидрофитизации ландшафтов, проявившихся при подъеме уровня моря, некоторой ксерофитизацией – зарастанием и обсыханием лагун, увеличением площади перевеваемых песков, замещением зарослей тростника лугово-солончаковой растительностью.

Рис. 4.

Совмещенные схемы дешифрирования береговой линии и водных объектов дельты Сулака и динамика дельты за период 1978–1991 гг. (а) и 1991–1997 гг. (б): 1 – вода на начало и конец периода; 2 – вода на месте суши; 3 – суша на месте воды; 4 – суша на начало и конец периода.

Дельта Куры. Современная дельта Куры начала формироваться после прорыва ракушечного вала на берегу моря примерно в конце XVIII – начале XIX вв. В условиях понижения уровня моря и большого стока наносов дельта активно выдвигалась в море, что прослежено по разновременным топографическим картам [15, 28]. Развитие дельты в 1978–1995 гг. при значительном повышении уровня моря и уменьшении (после создания в 1953 г. Мингечаурского водохранилища) стока наносов реки закартографировано по космическим снимкам 1976 и 1993 гг., а после завершения подъема и при стабилизации уровня – по снимкам 1998, 2000, 2010 гг. Составлены карты природно-территориальных комплексов и их динамики за эти годы [19]. Главным следствием повышения уровня моря с 1977 г. стало затопление низменных периферийных частей дельты и уменьшение ее площади. Существенные изменения произошли к 1993 г., когда в результате подъема уровня моря и экстремального наводнения в этом году оказалась затопленной большая часть дельтового выступа, который, однако, при снижении уровня моря с 1995 г. быстро восстановился. Но перелив куринских вод через разрыв в береговых валах рук. Юго-Восточного привел к образованию эрозионного прорыва на правом берегу рукава. В этой части дельты начала формироваться новая лопасть, ориентированная на ЮЗ [26, 28]. В веере водотоков на месте эрозионного прорыва начался процесс формирования главного русла, а часть водотоков прекратилa функционировать. Здесь появились песчано-илистые отложения, выносимые рекой; эти обмелевшие участки и мелководья стали зарастать тростником, формируя новую дельтовую лопасть, ориентированную на ЮЗ. Однако ее активное формирование осложнилось в связи с сооружением в 2004 г. канала в восточном направлении для кратчайшего выхода к морю. По рук. Юго-Восточному, бывшему в предшествующий период главным рукавом дельты, сток перестал поступать, русло стало заиливаться и зарастать тростником. На самом окончании юго-восточного дельтового выступа происходил процесс его размыва морским волнением; из материала размыва, переносимого вдольбереговым течением, формировалась Ново-Куринская морская коса, увеличившаяся в длину за 10 лет с 1.5 до 4.1 км [26, 28]. Коса веерообразно перемещалась в соответствии с новым положением окончания дельтового выступа. Так космический мониторинг позволил вживую проследить процессы переформирования гидрографической сети дельты. Другую динамичную зону этой дельты представляют береговые бары на ее северо-западном морском крае, которые, расширяясь и увеличиваясь по длине, стали окаймлять сплошной полосой северо-восточный берег дельты [19]. Изменения на внутренних территориях дельты связаны с тем, что подъем уровня моря вызвал гидрофитизацию ландшафтов, а снижение уровня моря в связи с понижением верхней границы грунтовых вод − некоторое осушение поверхности и аридизацию ландшафтов.

Наиболее существенные изменения охваченных исследованиями дельт Каспия при подъеме уровня моря следующие:

затопление периферийных низменных частей дельт с сильным сокращением их площади (у Сулака, Куры до 60%);

образование на затопленных мелководьях тростникового пояса, который разрастается при подъеме уровня до 1.8 м, а при больших величинах подъема разрушается (как это было в дельте Урала);

усиление волнового размыва на приглубых участках дельтовых берегов (в связи с активизацией волновой деятельности при увеличении глубин) и формирование из материала размыва аккумулятивных кос, ориентированных в сторону вектора преобладающих волн (Сулак и Кура);

формирование лагунно-барьерных комплексов на отмелых участках берегов, ориентированных перпендикулярно вектору преобладающих волн (Сулак, Кура, Аграханский п-ов в дельте Терека);

возможность прорыва прирусловых валов и полной перестройки русловой сети дельты (как это произошло в дельте Куры);

при значительных величинах твердого стока аккумуляция отложений и рост дельты, несмотря на подъем уровня моря (Новая дельта Терека).

Опыт изучения динамики дельт каспийских рек может быть использован при оценке возможного влияния на речные дельты ожидаемого значительного повышения уровня мирового океана.

МОНИТОРИНГ ДЕЛЬТ С ИНТЕРВАЛОМ В ДЕСЯТИЛЕТИЯ В РАЙОНАХ АКТИВНОГО ХОЗЯЙСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ ИХ ТЕРРИТОРИИ

Разновременные космические снимки не только передают картину изменений дельты (морфологического строения, гидрографической сети) как природного объекта, но и отражают динамику хозяйственного использования территории дельт. Наглядный пример в этом отношении представляет дельта Дуная. Вековая динамика этой дельты, как указывалось выше, исследовалась одной из первых на основе сопоставления космического снимка дельты, полученного с первого ресурсного спутника, с картой, составленной в середине XIX в. [21]. Но уже в первые десятилетия после этого исследователи вновь обращались к анализу снимков этой интенсивно осваивавшейся территории. Выявленные ранее выдвижение Килийской дельты Дуная и размыв ее восточной части между Сулинским и Георгиевским рукавами продолжались сниженными темпами, но хозяйственное использование дельты было весьма динамичным и находило отражение на снимках. Картографирование природно-антропогенных ландшафтов дельты было повторено с интервалами 10–20 лет по снимкам 1980 г. [4], 2002 г. [32], 2016 г. [7, 12]. Эти карты в совокупности передают картину изменений хозяйственного освоения дельты.

Судя по картам Корпуса военных топографов, в конце XIX в. вся площадь дельты представляла собой тростниковые плавни, среди которых выделялись сухие острова из песчаных гряд с расположенными на них селами и хуторами, соединенными дорогами, идущими по песчаным валам. Во второй половине XX в. в добавление к традиционному сельскохозяйственному и рыбохозяйственному использованию дельты в ее румынской части началась заготовка тростника, и 1960–1970-е гг. были названы “тростниковым периодом”. В 1970–1980-е гг. большие площади дельты были обвалованы с созданием водоемов для рыбохозяйственного использования, в частности в плавнях восточнее оз. Разельм (“рыбный период”); началась подготовка к масштабному осушению плавней в районе депрессии Пардина для сельскохозяйственного использования. Эти перемены в 1980 г. зафиксированы снимком и составленной по нему картой [4]. Сельскохозяйственное использование осушенных польдеров Пардины, обводнение депрессии Шонтя-Фортуна, куда спускались воды при осушении, восстановление естественных условий обводнения в верхней части дельты для выращивания и промышленной заготовки тростника нашли отражение на снимках и карте в 2002 г. [32]. Современное весьма разнообразное хозяйственное использование территории, зафиксированное снимками в 2016 г., показано на составленной автором карте природных и антропогенных геосистем дельты Дуная, легенда которой уже отражает динамику различных видов хозяйственного использования. Например, среди рыбохозяйственных водоемов показаны действующие, подготавливаемые для рыбохозяйственного использования и заброшенные, выведенные из использования. Для этих целей выявлены дешифровочные признаки изменения хозяйственных объектов на снимках [12]. Для контроля изменений широко использовалась “историческая линейка” снимков в информационной системе GoogleEarth.

РЕГУЛЯРНЫЙ КВАЗИ-ЕЖЕГОДНЫЙ МОНИТОРИНГ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕЛЬТ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КРУПНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ

Регулярное выполнение космической съемки большинством спутниковых съемочных систем, обеспечивающих необходимыми для детальных исследований снимкaми дельт, расширяет возможности космического мониторинга быстро протекающих процессов. Эти возможности реализованы, например, для прослеживания процессов переформирования дельт при искусственном изменении направления стока. Показательный пример в этом отношении дает исследование изменений одной из самых динамичных дельт мира – дельты Хуанхэ за 1995–2015 гг. после перекрытия действовавшего в 1976–1996 гг. рук. Циншуйгоу, поворота стока и образования нового рук. Чахэ.

Хуанхэ – одна из крупнейших рек мира – имеет очень большой сток наносов и в соответствии с этим очень динамичную дельту. Из-за заиливания русла, повышения отметок водной поверхности над окружающей местностью и прорывов вдольбереговых валов река часто меняет свое направление, в ее нижнем течении известно 26 прежних русел, река впадала в Желтое море то севернее, то южнее зал. Бохайвань. Современная дельта Хуанхэ сформировалась севернее п-ова Шаньдун после выхода Хуанхэ в зал. Бохайвань в 1855 г. В пределах этой дельты речной поток изменял свое направление не менее 11 раз [33]. Изменения направления на С, СВ в 1950–1960-х гг. были преднамеренными в связи с предотвращением наводнений. В 1976 г. было предпринято новое изменение направления течения – на В, когда начал функционировать рук. Циншуйгоу. Благодаря быстрому приросту суши в его устье он выдвинулся за 20 лет на 20 км, образовав новую дельтовую лопасть, выступившую в море на ЮВ. Эти изменения дельты были прослежены китайскими специалистами по 20 космическим снимкам со спутника Landsat за 1976–2000 гг., определены параметры выдвижения лопасти [36]. Однако 8 августа 1996 г. был осуществлен новый поворот русла, его направление изменено с юго-восточного на северо-восточное, образовался новый рук. Чахэ, началось формирование нового выступа дельты, а ранее сформированная рук. Циншуйгоу лопасть начала размываться. По инициативе В.Н. Михайлова было предпринято исследование динамики дельты Хуанхэ за 20-летний период после образования нового северо-восточного рук. Чахэ [10, 11]. В качестве исходных материалов использовались имеющиеся в открытом доступе снимки Landsat-5,7,8. При выборе снимков учитывалось отсутствие облачности, наличие видимых изменений, сезон съемки (оптимален меженный период с минимальным стоком воды и наносов). Значительную сложность представляло обеспечение идентичной фазы прилива (целесообразны снимки при отливе, однако пришлось довольствоваться неполным отливом). В результате из 40 проанализированных снимков удалось отобрать восемь пригодных для исследования; они характеризуют дельту за исследуемый 20-летний период с интервалом 2–3 года. Анализ кривых спектральной яркости показал, что наибольшие различия в яркости моря, осушки и суши достигаются в среднем инфракрасном канале, который и был взят за основу при дешифрировании границы вода–суша. Снимок в синем канале помогает установить истинные границы дельты при отливе. На основе визуального дешифрирования береговой линии дельты по снимкам за разные даты на экране компьютера в программе ArcMap составлялись схемы динамики дельты с изображением разным цветом приросших и размытых участков. Схемы показывают динамику дельты по интервалам и изменение дельты в каждый год относительно 1995 г., принятого за базовый (до поворота потока на СВ) (рис. 5). Они наглядно демонстрируют все увеличивающееся со временем выдвижение новой дельтовой лопасти Чахэ сначала в северо-восточном и восточном, а потом в северном направлении, усиливающийся одновременно с этим размыв старого дельтового выступа Циншуйгоу, а также отложение продуктов размыва концевого выступа, переносимых вдольбереговым течением, на отмелом южном побережье лопасти Циншуйгоу. Серия графиков, построенных по результатам определения площадей размыва и аккумуляции, показывает изменяющееся со временем соотношение интенсивности этих процессов. В результате получены количественные данные о динамике дельты Хуанхэ на протяжении всего 20-летнего периода – с 1995 по 2015 г. Прекращение стока по рук. Циншуйгоу вызвало размыв площадью 68 км2, а сток по новому рук. Чахэ обусловил формирование новой лопасти площадью 87 км2. Прирост площади всей дельты за этот период составил 197 км2, а размыв – 100 км2, и площадь дельты увеличилась на 97 км2. Таким образом, несмотря на существенное сокращение стока наносов Хуанхэ, ее дельта пока продолжает расти. Полученные количественные данные о динамике дельты – изменение площадей образовавшихся дельтовых лопастей – впоследствии были сопоставлены с изменениями показателей стока [27]. Количественные результаты космического мониторинга изменений дельты Хуанхэ в последние десятилетия послужили дальнейшему развитию важного направления исследований российской гидрологической школы – выявлению закономерностей развития дельт в зависимости от стока воды и стока наносов.

Рис. 5.

Изменения восточной части дельты Хуанхэ в 1995–2015 гг. Положение береговой линии: 1 – в 1995 г.; 2 – в последующие годы. 3 – Суша на месте моря (прирост дельты); 4 – море на месте суши (размыв дельты).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важная отличительная черта гидрологической устьевой школы В.Н. Михайлова – применение космических снимков для изучения гидролого-морфологических процессов в устьевых областях рек и исследования динамики речных дельт. Динамика дельт изучается в разных временны́х масштабах – от вековых изменений, что реализуется сравнением старых карт с современными космическими снимками, до текущего мониторинга состояния дельт, в настоящее время вполне обеспеченного регулярными космическими съемками. Исследуется динамика, вызванная разными факторами – природными, из которых сейчас наиболее значимы изменение климата и колебания уровня приемного водоема, и антропогенными, такими как создание водохранилищ в бассейнах рек, хозяйственное освоение территории дельт, проведение гидротехнических мероприятий. Это определяет разнообразие проводимых исследований динамики и полученных результатов, среди которых выделим наиболее важные.

Исследования динамики дельт в связи с потеплением климата позволили выявить некоторые изменения тенденции развития северных дельт от их постепенного многовекового нарастания и выдвижения в море к появлению признаков размыва на морском крае дельт.

Исследования динамики дельт при колебаниях уровня моря, энергично проводившиеся в связи с недавним подъемом уровня Каспия, когда разные стадии колебаний уровня (длительного снижения, интенсивного подъема в течение почти двух десятилетий, небольшого опускания и стабилизации) были обеспечены космическими снимками, – позволили уточнить количественные закономерности ряда гидрологических и гидролого-морфологических процессов в дельтах, в частности связанных с концепцией “подпорной призмы”. При переформировании гидрографической сети дельты отмирание старого русла ведет к размыву старого дельтового выступа и образованию в его продолжении аккумулятивной косы, направленной по вектору волнения, как это произошло в дельтах Сулака и Куры. На примере Новой дельты Терека выявлены возможности продолжения формирования и роста дельты, обеспеченного стоком наносов, несмотря на подъем уровня приемного водоема. На примере дельты Урала определена экологическая ниша зарослей тростника на мелководьях, погибающих при повышении уровня моря >1.8 м. Ландшафты дельт при снижении уровня моря испытывают ксерофитизацию, сменяющуюся гидрофитизацией при подъеме уровня.

Регулярный космический мониторинг при проведении гидротехнических мероприятий в дельтах (в частности, преднамеренных изменениях направления стока) позволил на примере дельты Хуанхэ в деталях проследить за процессами переформирования дельты – нарастания новых дельтовых лопастей и размыва старых.

Во всех рассмотренных вариантах исследований космические снимки обеспечили наглядную качественную и объективную количественную информацию о происходящих изменениях и позволили количественно обосновать и уточнить выявленные закономерности.

Список литературы

  1. Большиянов Д.Ю., Макаров А.С., Шнайдер В., Штоф Г. Происхождение и развитие дельты реки Лены. СПб.: ААНИИ, 2013. 268 с.

  2. Брызгалов В.В., Скобинский А.Э., Богунов А.Ю. Исследование устьевой области Северной Двины хронокартографическим методом. Архангельск: Лодия, 2008. 143 с.

  3. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты. М.; Берлин: Наука, Академи Ферлаг, 1982. 104 с.

  4. Ефремова О.Н., Кравцова В.И. Изучение динамики дельты Дуная с использованием космических снимков // Иссл. Земли из космоса. 1981. № 5. С. 90–96.

  5. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. Аэрокосмические исследования динамики географических явлений. М.: Изд-во МГУ, 1990. 205 с.

  6. Кравцова В.И. Анализ динамики дельт на основе космических снимков // Вод. ресурсы. 2001. Т. 28. № 4. С. 402–409.

  7. Кравцова В.И. Картографирование природных и антропогенных геосистем дельты Дуная по космическим снимкам // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2019. № 1. С. 3–10.

  8. Кравцова В.И. Вахнина О.В. Исследование динамики дельты Енисея по космическим снимкам // Геодезия и картография. 2020. № 1. С. 34–47.

  9. Кравцова В.И., Илюхина Ю.А. Динамика восточной части устьевой области Терека в период подъема уровня Каспия: картографирование по аэрокосмическим материалам // Вод. ресурсы. 2002. Т. 29. № 1. С. 49–61.

  10. Кравцова В.И., Инюшин А.Н. Динамика современной дельты р. Хуанхэ в последние десятилетия: исследования по космическим снимкам // Геодезия и картография. 2017. № 1. С. 18–24.

  11. Кравцова В.И., Инюшин А.Н. Динамика современной дельты р. Хуанхэ в последние десятилетия: исследования по космическим снимкам // Геодезия и картография. 2017. № 2. С. 22–25.

  12. Кравцова В.И., Инюшин А.Н. Динамика дельты Дуная в XXI веке: исследование по космическим снимкам // Геоинформатика. 2018. № 2. С. 45–62.

  13. Кравцова В.И., Инюшин А.Н. Исследование динамики дельты Лены по космическим снимкам // Вод. ресурсы. 2019. Т. 46. № 6. С. 817–824.

  14. Кравцова В.И., Лурье И.К., Илюхина Ю.А. Динамика дельты р. Сулак в условиях подъема уровня Каспия по аэрокосмическим данным (1978–1997) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2000. № 5. С. 53–59.

  15. Кравцова В.И., Михайлов В.Н., Ермошкин И.С. Динамика дельты р. Куры // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2003. № 2. С. 66–75.

  16. Кравцова В.И., Николаев В.А., Маркова Т.А. Использование снимков с ресурсного спутника ЕРТС для ландшафтного картографирования и анализа динамики ландшафтов // Исследование природной среды космическими средствами. Т. VI. Геоботаника. Геоморфология. Почвоведение. С-х угодья. Ландшафтоведение. М.: АН СССР, 1976. С. 98–110.

  17. Кравцова В.И., Проворова И.А. Исследование и картографирование динамики дельты р. Сулак по космическим снимкам // Геодезия и картография. 2014. № 1. С. 21–27.

  18. Кравцова В.И., Проворова И.А. Космический мониторинг формирования Новой дельты р. Терек // Геодезия и картография. 2014. № 2. С. 36–44.

  19. Кравцова В.И., Проворова И.А. Картографирование динамики дельт Сулака и Куры в последнее десятилетие по космическим снимкам // Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей. Тр. VIII международ. науч.-практ. конф. Т. 2. М.: РУДН, 2014. С. 242–253.

  20. Кравцова В.И., Реймов П.Р. Картографирование динамики гидрогенных экосистем южного Приаралья по космическим снимкам // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 1994. № 2. С. 47–57.

  21. Кравцова В.И., Ушакова Л.А., Чекалина Т.И. Изучение динамики дельты Дуная с использованием материалов космической съемки // Геоморфология. 1979. № 1. С 59–67.

  22. Кравцова В.И., Черепанова Е.В. Динамика дельт рек Енисея и Пура // Вод. ресурсы. 2001. Т. 30. № 3. С. 304–311.

  23. Кравцова В.И., Шуматиев В.В. Новые подходы к обработке разновременных космических снимков на примере исследования динамики дельты Урала // Геоинформатика. 2005. С. 52–61.

  24. Михайлов В.Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: ГЕОС, 1997. 413 с.

  25. Михайлов В.Н., Горин С.Л. Новые определения, районирование и типизация устьевых областей рек и их частей – эстуариев // Вод. ресурсы. 2012. Т. 39. № 3. С. 243–257.

  26. Михайлов В.Н., Кравцова В.И., Ермошкин И.А. Динамика дельты р. Куры // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2003. № 2. С. 66–75.

  27. Михайлов В.Н., Кравцова В.И., Инюшин А.Н., Михайлова М.В. Изменения тенденции развития дельты под влиянием внешних естественных и антропогенных факторов (на примере современного устья Хуанхэ) // Вод. ресурсы. 2018. Т. 45. № 4. С.353–365.

  28. Михайлов В.Н., Кравцова В.И., Магрицкий Д.В. Гидролого-морфологические процессы в дельте р. Куры // Вод. ресурсы. 2003. Т. 30. № 5. С. 541–554.

  29. Михайлов В.Н., Кравцова В.И., Магрицкий Д.В. Особенности развития современной дельты Сулака // Вод. ресурсы. 2004. Т. 31. № 2. С. 133–147.

  30. Михайлов В.Н., Кравцова В.И., Магрицкий Д.В., Михайлова М.В., Исупова М.В. Дельты каспийских рек и их реакция на изменение уровня моря // Вестн. Каспия. 2004. № 6. С. 60–104.

  31. Михайлов В.Н., Магрицкий Д.В., Кравцова В.И., Михайлова М.В., Исупова М.В. Воздействие изменений уровня Каспийского моря и водохозяйственных мероприятий на гидрологический режим и морфологию устьев рек // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2011. № 2. С. 85–95.

  32. Михайлов В.Н., Уваров И.А., Корнилов М.В., Михайлова М.В. Динамика морского края дельты // Гидрология дельты Дуная. М.: ГЕОС, 2004. С. 346–361.

  33. Михайлова М.В. Гидрологический режим и динамика гидрографической сети устьевой области Хуанхэ // Вод. ресурсы. 1998. Т. 25. № 1. С. 105–117.

  34. Михайлова М.В. Современные русловые деформации на устьевых участках Терека и Сулака // Тр. ГОИН. 1991. Вып.198. С. 39–46.

  35. Asarin A.S., Mikhailov V.N., Kravtsova V.I. Amudarya and Syrdarya Rivers and their deltas // The Aral Sea Environment. The Handbook of Environmental Chemistry. Springer. 2010. V. 5. P. 101–121.

  36. Chu Z.X., Sun X.G., Zhai S.K., Xu K.H. Changing pattern of accretion-erosion of the modern Yellow River (Huanghe) subaeral delta, China: Based on remote sensing images // Mar. Geol. 2006. V. 227. P. 13–30.

Дополнительные материалы отсутствуют.