СПЕКТРАЛЬНЫЙ ИНДЕКС МУТНОСТИ ВОДЫ ШЕРШНЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА (Г. ЧЕЛЯБИНСК)

​SPECTRAL TURBIDITY INDEX OF THE WATER OF THE SHERSHNEVSKY RESERVOIR (CHELYABINSK)

Darya Prokopenko

Student, Department of Microbiology, Immunology and General Biology, Chelyabinsk State University,

Russia, Chelyabinsk

Anna Kravtsova

Scientific Supervisor, Senior Lecturer, Department of Microbiology, Immunology and General Biology, Chelyabinsk State University,

Russia, Chelyabinsk

АННОТАЦИЯ

В статье представлен расчет спектрального индекса мутности воды NDTI, его картографическое распределение для акватории Шершнёвского водохранилища (г. Челябинск) как метод оценки процессов, происходящих в водоеме.

ABSTRACT

The article presents the calculation of the spectral index of turbidity of water NDTI, its cartographic distribution for the water area of the Shershnevsky reservoir (Chelyabinsk) as a method of assessing the processes occurring in the water reservoir.

Ключевые слова: спектральный индекс, нормализованный индекс мутности воды NDTI.

Keywords: water reservoir, spectral index, normalized difference turbidity index NDTI

В настоящее время среди современных методов наблюдения за экологическим состоянием водных объектов наибольшее распространение приобрело дистанционное зондирование и спектральные индексы, полученные на основании данных космических снимков. Спутниковое дистанционное зондирование Земли позволяет оперативно получить информацию о состоянии отдельных компонентов природы на относительно большой территории и оценить временную и пространственную динамику изменений в окружающей среде. Информация, полученная в результате съёмки земной поверхности при помощи спутников, в различных спектральных диапазонах – каналах, используется для расчёта спектральных индексов.

Спектральный индекс – это показатель, характеризующий изменение спектральной плотности потока излучения космического объекта с изменением частоты [8]. Существует более 160 спектральных индексов, с помощью которых, возможно оценить состояние водоёма и отдельных показателей качества воды. Наиболее распространёнными являются следующие спектральные индексы: нормализованный относительный индекс растительности (NDVI) – это показатель количества фотосинтетически активной биомассы [9].  Модифицированный нормализованный разностный водный индекс (MNDWI) – это показатель, алгоритм которого позволяет эффективно подавлять шумовые эффекты с поверхности, с почвы и растительности. Индекс более эффективен по сравнению с NDWI, если исследуемая береговая линия находится рядом с каким–либо строением [5]. Нормализованный разностный индекс хлорофилла A (NDCI) – это показатель содержания хлорофилла, а в растительных клетках и многие другие [6].

Каждый водоём характеризуется определёнными физико–химическими условиями и разной степенью эвтрофирования, поэтому для конкретного водного объекта необходимо эмпирическим путём подбирать наиболее информативные индексы и осуществлять корректировку используемых для их расчёта формул, а также подбирать шкалу измерений [6]. Спектральные индексы позволяют определить границы открытых водоёмов, количество фотосинтетической биомассы, количество влагозапаса в растительном покрове, содержание хлорофилла в лиственном покрове и другое.

Нормализованный индекс мутности воды (NDTI) – это спектральный показатель мутности воды, характеризующий уменьшение её прозрачности в связи с наличием неорганических и органических примесей, взвесей, а также развитием планктона в водном объекте. Данный индекс позволяет оценить состояние водного объекта за определённые промежутки времени за счёт фиксации отражательной способности исследуемых объектов [5].

Целью работы являлось определение значения спектрального индекса мутности воды Шершнёвского водохранилища (г. Челябинск) за 2018 – 2021гг., рассчитанного на основе космических снимков Santinel – 2 и Landsat – 8.

Объект исследования – Шершнёвское водохранилище, которое является средним по размеру искусственным водоёмом, находящимся в черте г. Челябинск (рис.1). Актуальность и значимость исследования обусловлена статусом Шершнёвского водохранилища, которое является единственным питьевым источником хозяйственно–питьевого водоснабжения г. Челябинска, а также населённых пунктов в его окрестностях с населением более 1 млн. человек [3]. Водохранилище построено на р. Миасс. По морфометрическим характеристикам и особенностям водного режима это водоём руслового типа, имеет три плёса – верхний, основной участок и нижний. Верхний участок – наиболее узкий речной участок водоёма. Средний участок по ширине за счёт затопленной поймы несколько больше по сравнению с верхним участком. Нижний участок наиболее широкий и глубоководный. Водоём мелководный – около 50 % площади занимают глубины до 4 м [7].

Рисунок 1. Шершнёвское водохранилище

С каждым годом водоём испытывает возрастающую антропогенную нагрузку, что неблагоприятно сказывается на качестве воды. Для водного объекта ежегодно регистрируется массовое «цветение» фитопланктона, достигающее максимума в июле – августе, и способствующее увеличению естественной мутности воды водоёма [6].

Материалами для исследования послужили снимки со спутников Landsat – 8 и Sentinel – 2 за вегетационный сезон 2018 – 2021гг., полученные из открытого для свободного доступа сайта EarthExplorer. Анализ значений индекса мутности со спутниковых данных довольно сильно зависит от количества жидких осадков и облачности. Их наличие способствует искажению самого изображения и неправильной интерпретации полученных результатов, поэтому на сайте EarthExplorer были взяты снимки, где облачность составляла менее 10% и с отсутствием атмосферных осадков. Для расчета нормализованного индекса мутности выбрано 13 снимков из базы данных Landsat – 8 и данных Sentinel – 2, даты которых указаны в таблице 1.

По данным [5] произведен расчет индекса мутности NDTI:

NDTI = (RED[6]–GREEN[6])/(RED[6]+GREEN[6])                                  (1)

BLUE – синий диапазон спектра видимого электромагнитного излучения. Этот канал выделяет глубину водоёмов, почву и отличает хвойные деревья от лиственных. Он крайне важен для исследования состояния водных объектов, особенно таких показателей, как мутность, концентрация хлорофилла в воде, плотность и пространственное распределение планктонных водорослей.

GREEN – зелёный канал видимого спектра излучения, позволяет обнаружить растительность.

RED – красный диапазон видимого спектра отражения солнечного излучения, используется для оценки состояния и качества растительности [6].

Чем выше показатели индекса мутности, тем ниже отражательная способность поверхности водохранилища.

Вычисления индекса и визуализация проводились в программе Quantum GIS (QGIS) – это свободная географическая информационная система. С её помощью можно создавать, редактировать, визуализировать, анализировать и публиковать геопространственную информацию. В ходе работы загружались определённые каналы – растровые слои. Затем производился расчет индекса мутности в соответствие с формулой через калькулятор растров. Далее получался снимок, который в дальнейшем подвергался корректировке данных (шкала значений, цветовая гамма и др.).

В таблице 1 представлены результаты расчетов NDTI для Шершнёвского водохранилища. За исследуемый период 2018 – 2021 гг. значения индекса мутности находятся в диапазоне от 0,35 до 0,41. Минимальное значение индекса наблюдалось в фазу летней межени 24 июля 2018 года и составило 0,35. Максимальное значение индекса составило 0,41, которое наблюдается в каждый период половодья и в каждый период межени в 2018 – 2021 гг.

Таблица 1.

Спектральный индекс мутности воды NDTI Шершнёвского водохранилища за 2018 – 2021гг.

На рис. 2 представлено пространственное распределение значения спектрального индекса мутности NDTI для Шершнёвского водохранилища с указанием даты снимка.

Рисунок 2. Спектральный индекс мутности Шершнёвского водохранилища за весенне–летний период 2018–2021 гг.

В 2018 году в период половодья значение индекса на всей акватории водоема составило 0.41. Есть отдельные участки на речном плёсе и береговой части центрального плёса, где индекс варьировался в диапазоне от 0.38 до 0.41. В период летней межени 24 июля индекс на всей центральной части снизился и составил 0.36. В месте впадения р. Миасс, а также в прибрежных участках наблюдались значения от 0.38 до 0.41.  К окончанию летне–осенней межени наблюдалось увеличение площади прибрежного участка с более высоким показателем мутности, значение которого составило 0,41. Для центральной части водоема значение индекса мутности сохранилось 0.36.

На снимке за 2019 год прослеживается, что к окончанию периода половодья индекс одинаковый на протяжении всей акватории и равен 0.41. 22 июня появились участки с различными значениями. Воды речного плеса и центральной части характеризовались диапазоном значений от 0,35 до 0,38. В приплотинном участке и прибрежной зоне индекс имел значение 0.41. К окончанию летней межени наблюдалось увеличение значения индекса на протяжении всей акватории.

На снимке 7 мая 2020 года наблюдаются облака со значениями меньше 0.35. Значение индекса на всей остальной акватории составило 0.41. Затем к установлению летней межени, воды речной и центральной части водохранилища характеризуются диапазоном значений от 0.37 до 0.41. В предплотинной части показатель сохранялся в максимальном значении 0.41.

В 2021 год в период летней межени 06 июля значения индекса на большей части акватории составили 0.41. Можно выделить некоторые участки в речной, центральной и предплотинной части, где индекс характеризовался значениями 0.34 и 0.37, это облака и тени от них.

В целом, индекс NDTI имеет одинаковые значения в половодье и летнюю межень в Шершневском водохранилище за период 2018 – 2021 гг. Можно выделить естественные причины, способствующие повышению показателей индекса мутности, в различные фазы гидрологического режима: в половодье это обусловлено поверхностным стоком, таянием льда на поверхности водохранилища, а в межень – массовым развитием фитопланктона.

Максимальное значение индекса мутности составило 0,41 и, преимущественно, наблюдалось в речном плёсе и прибрежной зоне акватории водохранилища. Это связано с наличием мелководных участков, заливов и заводей в акватории водохранилища. В речном плёсе происходит смешение речных вод с водами водохранилища, что вызывает увеличение взвешенных веществ. Погодные факторы также вносят значительный вклад в изменение показателей индекса мутности. В период половодья высокий индекс мутности наблюдается по всей акватории водохранилища. Жаркая погода с минимальным количеством осадков вызывает увеличение показателя NDTI, но с некоторой временной задержкой после указанных метеорологических явлений.

Таким образом, картографическое представление распределения значений NDTI позволило выявить зоны акватории водохранилища с повышенным уровнем мутности воды и позволяет сформировать представление о территориальном распределении процессов, способствующих увеличению показателя в водоеме в данный конкретный момент времени. Полученные данные можно использовать для дополнительной оценки экологического состояния Шершнёвского водохранилища.

Список литературы:

1. Аминов Дж.Х. Мониторинг заиления водохранилищ с использованием методов дистанционного зондирования // Комплексное использование водно-энергетических ресурсов Центральной Азии в условиях глобального изменения климата : Труды международной конференции (Таджикистан). – 2020. – С. 57–68.
2. Конюшкова М.В. Связь изображения на космических снимках QUICKBIRD с растительностью, почвами и их засоленностью // Поволжский экологический журнал. – 2009. – №1. – С. 35–49.
3. Кравцова А.В. Особенности многолетней динамики развития гидрохимических показателей воды Шершневского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – 2021. – № 5. – С. 8–28.
4. Кутявина Т.И. Использование космических снимков для определения границ водоёмов и изучения процессов эвтрофикации // Методология и методы исследования. Модели и прогнозы. – 2019. – № 3. – С. 28– 33.
5. Морозова В.А. Расчет индексов для выявления и анализа характеристик водных объектов с помощью данных дистанционного зондирования // Современные проблемы территориального развития. – 2019. – № 2.
6. Ходоровская Н.И. Оценка экологического состояния Шершневского водохранилища в современных условиях // Вестник Челябинского государственного университета.  – 2013. – № 7 (298). – С. 165–167.
7. Шершнёвское водохранилище [Электронный ресурс]. – М. : Вода России. Научно–популярная энциклопедия.  2021. 1 электрон. опт. Диск (CD-ROM).
8. Astronet : [сайт]. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1188689 (дата обращения: 27.01.2021).
9. GIS-Lab : [сайт]. URL: https://gis-lab.info/qa/ndvi.html (дата обращения: 27.01.2021).