Determination of flooding zones of the floodplain islands on the territory of the Kuibyshevsky water reservoir using rem.pdf Введение Острова водохранилищ, в частности острова Куйбышевского водохранилища - крупнейшего в Евразии, являются малоизученными природноантропогенными образованиями [Иванов и др., 2007]. Резкая смена направления развития экосистем островов в результате создания водохранилища обусловливает их уникальность как объекта исследования. Водный режим водохранилища, который может иметь не только сезонную, но и недельную, и суточную динамику, не характерную для не зарегулированной реки, определяет высокую динамичность границ суши островов, а также областей затопления и подтопления почвенного покрова. Это, в свою очередь, определяет скорость и направление эволюции всей экосистемы островов. Определение зон затопления островов - необходимый этап как для дальнейшего изучения и мониторинга островных систем, так и для эффективного и устойчивого управления данными земельными ресурсами. Объекты и методы Район исследования. Объектом исследования являются острова, расположенные на территории Казанского района переменного подпора Куйбышевского водохранилища (Республика Татарстан, Россия): от моста Зеленодольск - Нижние Вязовые (55°49'27,1" с.ш.; 48°31'05,6" в.д.), до участка в приуроченного г. Казани (55°42'51,2" с.ш. 49°01'52,9" в.д.) ниже по течению р. Волга (рис. 1). Уровень воды данного района водохранилища контролируется плотиной Жигулевской ГЭС и характеризуется значительными годовыми колебаниями: от 48,6 до 53,5 м при нормальном подпорном уровне воды (НПУ) в 53 м [Изменения.., 2018]. Представленная на рис. 1 картографическая основа отражает границы островов района исследования при НПУ. Границы островных систем определены путем дешифровки спутниковых снимков высокого пространственного разрешения, предоставляемых картографическими онлайн-сервисами Yan-dexMaps, GoogleMaps и BingMaps. При отсутствии данных о дате создания спутникового снимка, и, как следствие, отсутствии возможности определить уровень воды, границы островов подтверждались с помощью дешифровки спутниковых снимков низкого пространственного разрешения (Landsat 8) с известной датой создания. В результате дешифровки на обследуемой территории выделено 262 объекта, 162 из которых -мелководья или затопленные при НПУ острова, 4 полуострова - бывших островов, соединенных насыпью с берегом (см. рис. 1). Суммарная площадь объектов составляет 1856,25 га, из которых 32 острова имеют площадь менее 2 га, 38 - от 2 до 10 га, 26 - от 10 до 100 га и 4 острова - площадь более 100 га. По своему генезису острова данного участка водохранилища относятся к пойменным и представляют собой наиболее высокие участки поймы р. Волги до создания водохранилища [Карта.., 1990; Экологические.., 2002]. Несколько островов являются относительно свежими искусственными песчаными намывами; типичный и наиболее крупный пример - группа островов южнее п. Займище (55°48'38,3" с.ш. 48°49'59,7" в.д.) [Кулагина и др., 2016]. © Рязанов С .С., Кулагина В.И ., 2019 DOI: 10.17223/25421379/12/6 70 С.С. Рязанов, В.И. Кулагина I_I Мелководье/Затоплен I I He подлежит обследо I I Остров Полуостров Fig. 1. Floodplain islands of Kazan district of variable backwater at Normal Water Level ---∙∙^^- - .. ,. _ -rτ-' ' -→∙∙∙∙∙ SP-HiCi_ Рис. 1. Пойменные острова Казанского района переменного подпора при НПУ Оценка зон затопления островов. Для установления границ островных систем при различных уровнях воды были отобраны мультиспектральные спутниковые снимки, сделанные в дни установления максимального и минимального уровня согласно данным ПАО «РусГидро» [Изменения.., 2018]: 1) снимок Landsat 8 OLI (path 171, row 21) от 01 октября 2018 г. Уровень воды на момент создания снимка - 51,55 м (рис. 2, a); 2) снимок Landsat 8 OLI (path 171, row 21) от 28 мая 2013 г. Уровень воды на момент создания снимка - 53,28 м (рис. 2, b). Пространственное разрешение данных спутниковых снимков составляет 30*30 м. Цифровые значения яркости (Digital Numbers) снимков конвертировались в значения отражения на поверхности атмосферы (Top Of Atmosphere Reflectance) с последующей атмосферной коррекций по методу DOS1 [Chavez, 1996; Landsat.., 2015]. Определение границ суши островов при различных уровнях воды проводилось путем контролируемой классификации спектральных слоев снимков Landsat 8: B2 (0,45-0,51 мкм), B3 (0,53-0,59 мкм), B4 (0,64-0,65 мкм), B5 (0,85-0,88 мкм), B6 (1,571,65 мкм), B7 (2,11-2,29 мкм). Для классификации использован метод Random Forest, который основан на использовании ансамбля независимых деревьев классификации и регрессии и хорошо подходит для моделирования с большим количеством коррелированных предикторов. Недостатком метода является низкая интерпретируемость зависимостей между предикторами и зависимой переменной, что в случае задач картирования земного покрова не играет значительной роли [James et al., 2013]. Для обучения модели классификации на обследуемой территории создан тренировочный набор точек. Поскольку основной интерес представляет земной покров островов, то 300 точек случайным образом созданы в пределах границ островных систем. Дополнительно создано еще 89 точек, распределенных по области, покрываемой спутниковым снимком. Каждой из 389 тренировочных точек, путем дешифровки муль-тиспектральных снимков и снимков высокого разрешения, вручную присваивался один из двух классов: земная поверхность либо водная поверхность. Итоговые растры затем векторизовывались, вычислялась площадь земной поверхности островов при различных уровнях воды в водохранилище. Использованное программное обеспечение. Предварительная обработка снимков Landsat и финальная компоновка карт проводились с использованием геоинформационной системы QGIS [QGIS.., 2018] и модуля Semi-Automatic classification Plugin [Congedo Munafo, Macchi, 2013]. Для метода Random Forest использована реализация в пакете «ran-domForest» для статистической среды R [Liaw, Wiener, 2002]. Результаты и обсуждения Построение модели классификации. В таблице представлены матрицы ошибок классификации для снимков от 28 мая 2013 г. (уровень воды 53,28 м) и 1 октября 2018 г. (уровень воды 51,55 м). Общая точность классификации для обоих снимков составила 93,76 и 90,64% соответственно. Более низкая точность классификации снимка от 1 октября 2018 г. обусловлена большим количеством облаков над ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПОЙМЕННЫХ ОСТРОВОВ 71 участком исследования на момент создания снимков (таблица). Артефакты, связанные с наличием облаков, были скорректированы перед дальнейшим анализом результатов классификации. Границы островов и зоны затопления. Результаты оценки границ островных систем при различных уровнях воды в водохранилище показывают, что в зависимости от водного режима водохранилища, значительные площади пойменных островов оказываются затопленными (рис. 3). Так, при минимальном уровне воды за наблюдаемый период в 51,55 м, площадь островных систем исследуемого района оценивается в 2 718,97 га. При подъеме уровня воды до нормального подпорного уровня (53 м), площадь надводной части островов сокращается на 31,7% и составляет 1 856,25 га. При максимальных уровнях воды в 53,28 м, площадь островов сокращается еще на 14% и достигает 1 596,76 га. При этом стоит отметить, что максимальный уровень воды в водохранилище за период 2013-2018 гг. составлял 53,48 м, однако на момент написания данного отчета не удалось подобрать подходящий снимок с низкой облачностью. Таким образом, затапливаемая зона для всех пойменных островов Казанского района переменного подпора оценивается в 1 122,21 га. a b Рис. 2. Пример острова при различных уровнях воды: a) 51,55 м; b) 53,28 м Fig. 2. An example of island at different water levels: a) 51,55 m; b) 53,28 m Таблица Матрицы ошибок модели классификации спутниковых снимков Table Confusion matrices of satellite imagery classification models Снимок от 28 мая 2013 г. (уровень воды 53,28 м) реальн^іе классы ЗП ВП Пользовательская точность, % класс-р ЗП 320 15 95,5 ВП 15 131 89,7 Точность классификатора, % 95,5 89,7 Снимок от 1 октября 2018 г (уровень воды 51,55 м) реальн^іе классы ЗП ВП Пользовательская точность, % класс-р ЗП 327 8 97,6 ВП 37 109 74,7 Точность классификатора, % 89,8 93,2 Примечание. ЗП - земная поверхность; ВП - водная поверхность. Note. ЗП - land surface; ВП - water surface. 72 С.С. Рязанов, В.И. Кулагина Граница при уровне воды в 53 м.(НПУ) Рис. 3. Примеры границ островов при различных уровнях воды: a - при уровне воды 53,28 м; b - при уровне воды 51,55 м; c - зоны затопления островов Fig. 3. Examples of islands borders at different water levels: a - at water level 53,28 m; c - flooding zones of islands b - at water level 51,55 m; Заключение Результаты оценки динамики границ островных систем показывают, что в зависимости от уровня воды, периодическому затоплению подвергается около 41,2% от общей площади островов. Данные области характеризуются наиболее гидроморфными условиями почвообразования с соответствующим влиянием на экосистемы островов.

Скачать электронную версию публикации