Ландшафтно-космический анализ изменения площади и количества термокарстовых озер в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Ландшафтно-космический анализ изменения площади и количества термокарстовых озер в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири

Рассмотрены методические вопросы исследования динамики термокарстовых озерных ландшафтов на территории многолетней мерзлоты севера Западной Сибири на основе использования данных дистанционного зондирования и ГИС-технологий. Приведены данные об относительном изменении суммарной площади и количества термокарстовых озер за 35-летний период в различных ландшафтных зонах и подзонах. Обсуждены возможные причины изменения площадей термокарстовых озер.

Landscape-space analysis of change of thermokarst lakes areas and numbers in the permafrost zone of West Siberia.pdf Введение Исследование состояния многолетних мерзлых пород (ММП) на территории севера Западной Сибири в условиях наблюдаемых климатических изменений становится все более актуальным: здесь расположены почти все газовые и большинство нефтяных месторождений региона [1]. Снижение прочности многолетнемерзлых пород вследствие глобального потепления, вызывающего активизацию термокарстовых процессов, приводит к росту аварийности на трубопроводах и других сооружениях нефтегазового комплекса, большим экономическим и экологическим ущербам [2]. В этих условиях изучение изменений ММП и особенностей динамики мерзлотных ландшафтов является проблемой, решение которой вследствие высокой степени заболоченности и труднодоступности территории невозможно без применения данных дистанционного зондирования поверхности Земли. Анализ литературных источников по использованию таких данных в геокриологических исследованиях показал, что хорошо дешифрируемые на космических снимках термокарстовые озера являются наиболее информативными индикаторами современных тенденций развития криолитозоны, криогенных изменений рельефа и функционирования мерзлотных ландшафтов [3, 4]. Дистанционные исследования термокарстовых озер проводятся как в России, так и за рубежом [5-8]. Однако в большинстве случаев исследование динамики термокарста ограничивается мелкомасштабным качественным анализом тенденций изменения площадей и количества озер по природным провинциям, геокриологической интерпретацией полученных результатов исследований. Целью настоящей работы является проведение средне- и крупномасштабного (на ключевых участках) ландшафтного анализа размещения термокарстовых озер с учетом количественных данных о динамике их полей, полученных путем дистанционных измерений площадей распространения по северу Западной Сибири с использованием разновременных космических снимков. Материалы и методики исследования Для проведения исследования динамики площадей термокарстовых озер территории Западной Сибири было выбрано 30 тестовых участков. Выбор тестовых участков проводился с учетом специфики зонально-ландшафтной дифференциации территории бывшей Тюменской области, включавшей в себя до 1993 г. ныне самостоятельные субъекты Российской Федерации - Ямало-Ненецкий (ЯНАО) и Ханты-Мансийский (ХМАО - Югра) автономные округи [9]. Заметим, что соответствующая зонально-ландшафтная дифференциация территории сохраняется и в Атласах ХМАО - Югры и ЯНАО, что позволяет в данном вопросе использовать материалы как старого, так и новых Атласов [10, 11]. В связи с тем что последние оказались более труднодоступными материалами для решения нашей задачи, мы использовали ландшафтную карту бывшей Тюменской области. В каждой ландшафтной зоне (подзоне) выбиралось по несколько тестовых участков (рис. 1), позволяющих исследовать закономерности изменения термокарстовых процессов в зависимости от ландшафтной специфики и природного районирования территории. Расположение тестовых участков по ландшафтным зонам дано в таблице. Исследования динамики полей термокарстовых озер проведены с использованием разновременных космических снимков Landsat за период 1973-2008 гг. На каждый из тридцати тестовых участков имелось от 3 до 6 безоблачных снимков Landsat. Всего на тридцати тестовых участках было собрано 106 безоблачных снимков Landsat. Снимки были получены из архива Global Land Cover Facility. Обработка космических снимков проведена с использованием стандартных средств геоинформационной системы ENVI 4.4. На каждом из тестовых участков определялось от нескольких сотен до нескольких тысяч термокарстовых озер различных размеров. 57°30'0"Е 70°0'0"Е 82°3(ГО"Е 70°0'0"Е S2"3CT0"E Рис. 1. Карта-схема ландшафтного районирования территории севера Западной Сибири с обозначенными границами тестовых участков [7] Распределение тестовых участков по ландшафтным зонам (подзонам) Ландшафтная зона (подзона) Количество ТУ Номера ТУ Арктическая тундра 4 ТУ-27-ТУ-30 Типичная тундра 4 ТУ-23-ТУ-26 Южная тундра 3 ТУ-20-ТУ-22 Лесотундра 2 ТУ-19-ТУ-18 Северная тайга 9 ТУ-9-ТУ-17 Средняя тайга 8 ТУ-1-ТУ-8 Результаты исследования и обсуждение По результатам измерения площадей озер был проведен количественный анализ изменения площадей озер и числа исчезнувших и вновь образовавшихся озер в разных ландшафтных зонах (подзонах) в зависимости от географической широты. На каждом из тридцати тестовых участков были рассчитаны суммарные площади озер в разные годы наблюдений и определены абсолютные и относительные величины их изменения за период наблюдений (1973-2008 гг.). Величина относительного изменения суммарной площади определялась как (1) r = (st - s )/ s где Sg и Si - суммарные площади озер на тестовом участке в конечный и начальный годы исследования соответственно. Рис. 2. Среднее значение относительного изменения суммарной площади озер в ландшафтных зонах и подзонах На рис. 2 приведена диаграмма величин относительного изменения суммарной площади озер (R), усредненных по тестовым участкам, расположенным в различных ландшафтных зонах (подзонах). Как видно из рис. 3, увеличение суммарной площади озер наблюдается только в двух подзонах: арктической (+3,6%) и типичной (+7%) тундры. В ландшафтных зонах (подзонах) южной тундры, лесотундры, северной и средней тайги значение величины R Лесотундра ■ Северная тайга ■ Средняя тайга 10 20 30 Количество озер 40 50 Рис. 5. Распределение количества исчезнувших озер в разных ландшафтных зонах (подзонах) по географической широте н 0 о. 1 к й в. о II 1-4 74 72 70 68 66 64 62 60 ■ о ■ ■ д ■ д д Ж ж * Ж ж ЧЖ Шт U ■ ■ Арктическая тундра ■ Типичная тундра Д Южная тундра О Лесотундра Ж Северная тайга ■ Средняя тайга 200 400 600 Количество озер 800 Рис. 6. Распределение количества вновь образовавшихся озер в разных ландшафтных зонах (подзонах) по географической широте На рис. 5 и 6 видно, что севернее 68° с.ш. в зоне тундры количество исчезнувших озер на тестовых участках заметно уменьшается (рис. 5), а количество вновь образовавшихся (рис. 6), наоборот, увеличивается. Южнее 68° с.ш. наблюдается противоположная тенденция: увеличивается количество исчезнувших озер и сокращается число вновь образовавшихся (рис. 5-6). Общее количество исчезнувших озер за период 1973-2008 гг. составило 273. Общая площадь осушенной водной поверхности по состоянию на 1973 г. составила 10467,9 га. За период исследования количество вновь образовавшихся озер с площадью в пределах 4-10 га составило около 8 тыс. с общей площадью водной поверхности 13648,7 га. По мнению А.А. Земцова [13], сокращение площадей озер может быть обусловлено новейшими тектоническими движениями отдельных блоков территории, вызывающими полное или частичное осушение котловин озер. Если же озерная система или отдельные крупные озера находятся в пределах уплощенных фрагментов центральной части равнины, то существенного осушения озер может не произойти, так как эта часть поднимается равномерно, захватывая всю систему озер. Другие причины сокращения озер рассмотрены в работах [5, 7, 8, 15, 16]. Согласно работе [7], возможными причинами сокращения площадей озер могут быть почвенный дренаж при оттаивании мерзлоты при повышении температуры почвы как следствие потепления климата либо транс-пирация (испарение) растительностью, интенсивность которой возрастает с повышением температуры воздуха. В работе [5] авторы совершенно правильно указывают, что наблюдения за динамикой термокарстовых озер следует проводить, охватывая весь спектр разнообразных условий развития термокарста. 1000 Один из возможных механизмов спуска воды из термокарстовых озер за счет почвенного дренажа рассмотрен в работе [15]. Согласно данным исследованиям, крупные озера, как правило, более старые и имеющие более низкий уровень водного зеркала по сравнению с окружающими мелкими озерами, создают условия для спуска воды из мелких озер в соседние, более крупные, за счет почвенного дренажа при оттаивании почвы. Так как при этом площадь крупного озера мало изменяется, то общая площадь озер в среднем уменьшается за счет осушения соседних мелких неглубоких озер. Этот фактор действует постоянно, на протяжении всего короткого летнего периода, при этом крупные озера работают как водосборные ёмкости. Дренаж озер может являться показателем усиления заболоченности территорий по принципу регрессивно-топяной эволюции, когда в результате самоподтопления торфяника процесс торфообразования возобновляется. Это положение рассмотрено в работе [16] и предполагает: спуск болотных озер в результате русловой эрозии внутриболотных ручьев и рек, неравномерную эрозию берегов озер и увеличение их акваторий за счет слияния соседних крупных озер, их обмеление, возобновление зарастания озер и наступление болот на суходолы. Всё это создает сложную картину коэволюции озерных термокарстовых и грядово-мочажинно-озерных болотных ландшафтов. В.И. Кравцова особо отметила в работе [5] распространение подобных процессов на склонах Сибирских Увалов и в подзоне островной мерзлоты в целом. Заключение Исследование изменения площадей и числа термокарстовых озер на тестовых участках проводилось для всей совокупности озер с площадью более 4 га. Как показали результаты дистанционного исследования, на территории Западной Сибири наблюдаются два контрастных процесса развития термокарста, проявляющиеся в увеличении или сокращении площадей и числа термокарстовых озер в разных ландшафтных зонах (подзонах). Процесс увеличения суммарной площади термокарстовых озер до 7% наблюдается в двух подзонах - арктической и типичной тундре. На фоне увеличения суммарной площади озер в зоне тундры наблюдается увеличение количества вновь образовавшихся озер, что можно связывать с протаива-нием многолетнемерзлых грунтов вследствие потепления климата. В большинстве ландшафтных зон и подзон происходит сокращение суммарной площади термокарстовых озер до 11%, приводящее впоследствии к осушению озерной котловины и образованию хасыреев. Этот вывод подтверждается и данными других исследований [6-8], проведенных в этих ландшафтных зонах. Обсуждаются возможные причины сокращения площадей озер, обусловленные тектоническим режимом или изменением климата. Высказывается предположение о том, что механизм спуска воды из термокарстовых озер за счет почвенного дренажа при оттаивании почвы под воздействием потепления климата может являться основной причиной усиления развития термокарста и связанного с ним в среднем сокращения суммарной площади термокарстовых озер на территории Западной Сибири. Однако, как правильно указывают авторы в работе [5], наблюдения за динамикой термокарстовых озер следует проводить, охватывая весь спектр разнообразных условий развития термокарста.

Ключевые слова

термокарстовые озерные ландшафты, климатические изменения, многолетняя мерзлота, космические снимки, climatic changes, permafrost, thermokarst lake landscapes, space images

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Кирпотин Сергей НиколаевичНациональный исследовательский Томский государственный университетдоктор биологических наук, профессор кафедры ботаники Биологического института, проректор по международным связямkirp@ums.tsu.ru
Брыксина Наталья АнатольевнаБалтийский федеральный университет им. И. Канта (г. Калининград)старший научный сотрудникbryksina83@gmail.com
Всего: 2

Ссылки

Kirpotin S. et al. One of the possible mechanisms of thermokarst lakes drainage in West-Siberian North // Int. J. Envir. Studies. 2008. Vol. 65, № 5. P. 631-635.
Иванов К.Е., Новиков С.М. Болота Западной Сибири, их строение и гидрологический режим. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. 446 с.
Воскресенский С.С. Геоморфология Сибири. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1962. С. 166-168.
Земцов А.А. Геоморфология Западно-Сибирской равнины (северная и центральная части). Томск : Изд-во Том. ун-та, 1979. 343 c.
Брыксина Н.А., Евтюшкин А.В., ПолищукЮ.М. Изучение динамики изменений термокарстовых форм рельефа с использованием космических снимков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2007. Т. 4, № 2. С. 123-128.
Атлас Тюменской области / отв. ред. Л.А. Галкина. Москва ; Тюмень : ГУГК, 1971. Вып. 1. 216 с.
Атлас Ханты-Мансийского автономного округа - Югры. Ханты-Мансийск ; Москва, 2004. Т. 2. 152 с.
Атлас Ямало-Ненецкого автономного округа. Омск : Омская картографическая фабрика, 2004. 303 с.
Riordan B., Verbyla D., McGuire A.D. Shrinking ponds in subarctic Alaska based on 1950-2002 remotely sensed images // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. G04002, doi:10.1029/2005JG000150.
Smith L.C., Sheng Y., MacDonald G.M., Hinzman L.D. Disappearing Arctic Lakes // Science. 2005. Vol. 308, № 3. P. 14.
Махатков И.Д. Динамика озерных берегов в криолитозоне Западной Сибири на кос мических снимках // Горный информационный аналитический бюллетень. 2009. Отд. вып. 17: Кузбасс-2. С. 221-224.
Кравцова В.И., Быстрова А.Г. Изучение динамики термокарстовых озер России // Гео информатика. 2009. № 1. С. 44-51.
Мельников Е.С., Вейсман Л.И., Крицук Л.Н. Ландшафтные индикаторы инженерно-геокриологических условий севера Западной Сибири и их дешифровочные признаки. М. : Недра, 1974. 132 с.
Некрасов И.А., Петропавловская М.С. Опыт применения космических снимков для геокриологического картирования // Исследование Земли из космоса. 1983. № 2. С. 14-20.
Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / под ред. Е.С. Мельникова, С.Е. Гречищева. М. : ГЕОС, 2002. 402 с.
Анисимов О., Лавров С. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка ри сков для производственных объектов ТЭК РФ // Технологии ТЭК. 2004. № 3. С. 78-83.
 Ландшафтно-космический анализ изменения площади и количества термокарстовых озер в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Ландшафтно-космический анализ изменения площади и количества термокарстовых озер в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).