Картографирование и оценка пойменных комплексов в долине реки Амур

Вестник ДВО РАН. 2012. № 2

УДК 911.8;9 Е.Г.ЕГИДАРЕВ

Картографирование и оценка пойменных комплексов в долине реки Амур

Экспертным дешифрированием с использованием данных дистанционного зондирования выделены основные массивы пойм в бассейне р. Амур. С учетом наличия и расположения крупных гидроэлектростанций в бассейне рассчитаны массивы пойм, в пределах которых происходит трансформация естественного стока. Дана оценка степени воздействия ГЭС на пойменные комплексы в зависимости от их расположения в речной системе.

Ключевые слова: влияние ГЭС, поймы, дешифрирование космоснимков, бассейн р. Амур.

Mapping and estimation of floodplain complexes in the Amur River valley. E.G.EGIDAREV (Pacific Institute

of Geography, FEB RAS, Vladivostok).

Main floodplain massifs in the Amur River basin were delineated by means of expert interpretation of remote sensing data. In view of the current state and location of large hydro power plants in the river basin, floodplain massifs in which transformation of natural flow has occurred, have been calculated. The assessment of the impact of hydro-power plants on floodplain complexes is made depending on their location in the river system.

Key words: the impact of hydro power plants, floodplains, satellite image, the Amur River basin.

Река Амур и его притоки обладают высоким энергетическим потенциалом [2], что обусловило масштабное гидроэнергетическое строительство в бассейне Амура. В результате такого строительства природные комплексы подвергаются значительным изменениям, а это в свою очередь требует своевременной научно обоснованной оценки изменений природной среды под влиянием гидротехнических и водохозяйственных преобразований [10]. Настоящая работа не затрагивает всего спектра воздействия гидротехнических сооружений на природную среду, а ограничивается лишь проблемами, связанными с регулированием стока на пойменных территориях.

Поймой называют самую низкую покрытую растительностью часть дна речной долины, которая полностью или частично затапливается во время половодий и паводков [11]. Своим происхождением пойма обязана эрозионно-аккумулятивной деятельности речного потока [9]. Выделяются низкий и высокий уровни поймы. Высокая пойма отличается от низкой тем, что затапливается не ежегодно, а только в годы наиболее сильных разливов. Под пойменными комплексами понимаются сложные составные части высокой поймы, в том числе острова, припойменные озера, русла рек и протоки.

Пойма - наиболее уязвимый природный объект. Строительство дамб и плотин приводит к тому, что ниже по течению меняются периодичность, длительность, интенсивность паводков, а также полностью или частично прекращается твердый сток [3]. Водохранилища способны изменять гидрохимический и температурный режим вод в нижнем бьёфе. Влияние перераспределения стока по сезонам и годам на экосистемы нижнего бьёфа чрезвычайно многообразно: от трансформации русловых местообитаний до изменения поведения тех видов рыб, для которых сигналом к нересту служат определенные ритмические

ЕГИДАРЕВ Евгений Геннадьевич - младший научный сотрудник (Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, Владивосток). E-mail: Egidarev@yandex.ru

Работа выполнена при поддержке Всемирного фонда дикой природы (WWF) и МНТЦ, проект 4008 «Экологические критерии и ограничения в программах устойчивого природопользования бассейна р. Амур»).

колебания стока [10, 12]. От паводочного режима во многом зависит динамика растительных сообществ поймы. В отсутствие весенне-летних паводков водно-болотные комплексы нижнего бьёфа реки трансформируются в лугово-болотные и осушенные, в растительных ассоциациях гидрофиты сменяются ксерофитами, снижается продуктивность. Обедняется видовой состав, сокращается численность зверей и птиц, связанных с пойменными местообитаниями. Под влиянием паводков находятся также генеративность, абсолютная сухая масса, высота, плотность растительного покрова, биологическая продуктивность и другие показатели. Наиболее существенно влияние на пойменные угодья, где перераспределение стока между сезонами приводит к уменьшению площади и сроков затопления, а соответственно, и к значительному изменению местообитаний объектов животного мира в речной долине.

Изменения затрагивают не только водоемы, но и земли поймы, которые перестают получать взвеси с биогенным наилком. Этот питательный материал в меженный период участвует в развитии наземных экосистем (лугов, сельхозугодий, кустарниковых зарослей и пойменных лесов). Многолетними наблюдениями установлено, что биологическая продуктивность растительных сообществ в прирусловой части поймы максимальна в первый послепаводковый год и затухает на третий год. Катастрофические паводки выравнивают биологическую продуктивность растительных сообществ различных уровней поймы, чего не происходит при их отсутствии [1].

Изменение режима паводков в результате строительства и эксплуатации ГЭС существенно повлияло на состояние экосистем и биоты рек Амурского бассейна. Наиболее сильно изменился сток Зеи и Буреи, что привело к фактической утрате естественных пойменных экосистем на обеих реках. Влияние гидротехнических сооружений распространяется и на главное русло Амура. Гидрологи прослеживают изменение амплитуды колебаний стока под влиянием ГЭС вплоть до устья Амура [11]. Например, в районе Хинганского заповедника участки, ранее затапливаемые каждые 20 лет, теперь будут затапливаться не чаще, чем 1 раз в 100 лет. Существенная трансформация заболоченных пойм и лугов наблюдается на расстоянии до 1 200 км вниз по течению от крупных плотин [17]. Сокращаются площади типичных пойменных сообществ, местообитаний журавлей, аистов и т.д. [13].

В связи с изложенным особую значимость приобретают точное выделение и картографирование пойменных участков, оценка основных массивов пойм, изучение масштабов и степени их возможной деградации.

Обычно пойму на небольших участках реки выделяют расчетным способом, в очень крупном масштабе - на основе цифровой модели рельефа или с использованием подробных топографических карт и аэрофотоснимков [14]. Картографирование поймы в крупном масштабе является очень трудоемким процессом, особенно если речь идет о таком обширном бассейне, как р. Амур. Существует и альтернативный способ выделения пойм - картографирование средствами геоинформационных систем с одновременным использованием разновременных космических снимков и топографических карт. Такая работа на весь бассейн ранее никем не проводилась, и до настоящего времени не выявлялись массивы пойм, подверженных влиянию действующих ГЭС. В условиях юга российского Дальнего Востока данную задачу реализовать достаточно сложно из-за значительной амплитуды высоты паводков (5-10 м) в регионе [15].

Главной проблемой при выделении пойменных комплексов в бассейне р. Амур являются неоднородность и неполноценность имеющихся картографических данных. Дополнительные трудности связаны с изменчивостью условий протекания реки, характера формирования ее стока и русла. Рассмотрим основные способы выделения пойм.

Расчетный способ. Выделение границ поймы происходит автоматически на основе цифрового моделирования рельефа. Этот метод часто используется при моделировании паводковых ситуаций, но требует подробных и качественных данных для анализа. К сожалению, он не всегда гарантирует отображение реальной обстановки на реке, так как

не способен учитывать некоторые существенные факторы, в частности наличие берегоукрепления, грунтовых вод и растительности, характер почв, влияющих на зону затопления в паводковый период. Максимальные ошибки выявляются для равнинных территорий. На рис. 1 можно видеть ошибки выделения поймы расчетным способом в устье р. Сунгари, где большая часть равнины Санцзян была отнесена к пойме. При использовании данного способа поймы выделяются в границах более широких по сравнению с реально сформировавшимися. Расчетный способ обычно применяют на небольших участках, отображаемых в крупном масштабе, поскольку в этом случае при моделировании паводковых ситуаций можно детально изучить все корректирующие факторы.

Выделение пойм на основе геологических карт. Данные геологической съемки являются надежными и объективными, но, чтобы использовать их для определения границ пойм, требуются дополнительные сведения о современных процессах, протекающих в речных долинах. Для бассейна р. Амур картографический материал на всю исследуемую территорию отсутствует, в связи с чем данный метод невозможно полноценно использовать.

Экспертное дешифрирование данных дистанционного зондирования Земли. Спутниковые изображения дополняют информацию, имеющуюся на топографических картах, данными о растительности и состоянии ландшафтов [8]. Информация о растительности играет немаловажную роль в исследованиях пойменных комплексов. Совместное использование этих материалов позволяет с большей уверенностью определять границы высокой поймы.

Сравнение рассмотренных методов по трудоемкости, доступности и надежности материалов, объективности полученных результатов дает основание говорить о целесообразности использования третьего метода, в масштабе 1 : 200 000. При этом полученные результаты выделения пойм по возможности необходимо проверять методом цифрового моделирования рельефа на основе косморадарной съемки (8ЯТМ), так как она покрывает всю исследуемую территорию [18].

131" 132" 133°

Рис. 1. Пойма в устье р. Сунгари, выделенная расчетным способом, путем цифрового моделирования рельефа и на основе экспертного дешифрирования космических снимков

Рис. 2. Выделенные массивы пойм в бассейне Амура и на его основных притоках

В нашем исследовании учитывались работы по выделению пойм на р. Амур, ранее выполненные А.Н.Махиновым и М.Н.Гусевым. В частности, А.Н.Махинов определил границы пойменных комплексов в нижнем течении реки, от смежной границы Амурской и Еврейской автономной областей до Амурского лимана [11], а М.Н.Гусев выделил высокую пойму в среднем течении р. Амур и на р. Зея [4]. Дополнив полученный ими материал более детальными топографическими картами (масштаб 1 : 100 000) и данными дистанционного зондирования земли (Landsat-7 и ASTER), мы получили скорректированные и более точные границы пойм (рис. 2).

Для дальнейшего экспертного дешифрирования космических снимков были определены основные дешифровочные признаки пойменных комплексов (табл. 1).

По данным дистанционного зондирования земли со спутников Landsat-7 и ASTER хорошо видны все периодически обводняющиеся и переувлажненные участки в долине реки. Корректировку границ поймы можно провести по космическим снимкам, сделанным в период паводков. На космических снимках отображается реальная картина затопления пойм. Примером может служить снимок, выполненный осенью 2009 г., когда р. Амур была полноводной и заливала пойму (рис. 3).

Для картографирования границ пойм было использовано более сотни космоснимков Landsat разных годов съемки (с 1973 по 2006 г.), несколько десятков снимков ASTER, а также более сотни детальных топографических карт масштабов 1 : 100 000 и 1 : 200 000. Пакетная обработка снимков (привязка, топографическая нормализация и т.п.) производилась с помощью программного продукта Erdas Image 9.1. Экспертное дешифрирование выполнено в программной среде ArcView 3.3, позволяющей работать одновременно с большим количеством картографических данных. Все промежуточные и конечные результаты собраны и проанализированы в рабочем проекте программы ArcMap 9.2. В результате пойменные комплексы, а соответственно, и рельеф бассейна р. Амур подразделены на три основных типа [6] (рис. 4).

Дешифровочные признаки пойменных комплексов

Дешифровочный

признак

Условное обозначение на топографической карте

Отображение на снимках

Landsat-7 (комбинация 2-, 4-, 7-го каналов), пространственное разрешение 30 м

ASTER (комбинация 1-3-го каналов, естественные цвета), пространственное разрешение 15 м

Влаголюбивая растительность

Песчаные и галечные косы, берега

Болотистость местности

Озера, старицы, протоки

Застой воды в западинах и повышенная влажность почв на межзападинных пространствах Бровка первой надпойменной террасы

Камышовые и тростниковые заросли, луговая растительность Отмели и банки, осе-редыши и осыхающие отмели Болота, мари

Водные объекты: реки, озера

Нет, иногда как болота

Перепад высот в рельефе

Светло-зеленый цвет с размытыми темными пятнами

Розовый цвет, от светло-розового до малинового оттенка

Цвета от светло- до темнозеленого с небольшими бесформенными вкраплениями малинового цвета Темно-синий цвет, на мелях -синий, фиолетовый (вода с большей точностью выделяется по 4- и 5-му каналам) Темно-зеленый цвет на светлозеленом фоне

Изменение мелкозернистой текстуры снимка на более крупную с четко выраженной границей______________________

Монотонный ярко-зеленый цвет, переходящий в темный

От светло-желтого до белого цвета

Цвет от светло-синего до черного с зелеными вкраплениями

Цвета от темно-синего до черного

На зеленом фоне бесформенные пятна от темно-синего до черного цвета

Резкая смена текстурных характеристик снимка

Примечание. Цвета дешифрируемых объектов могут сильно различаться в зависимости от сезона съемки, в таблице показаны обобщенные данные для летнего сезона.

Горный. В верхнем течении рек горные пойменные комплексы легко выделяются не только по форме рельефа, но и по типу растительности, приуроченной к переувлажненным участкам долины реки. Чаще всего это долинные леса с обширными заливными лугами.

Плоскогорный, или горно-равнинный. Этот тип пойм наблюдается в среднем течении Амура, хорошо идентифицируется по типу растительности, так как имеет заметный высотный перепад у первой надпойменной террасы.

Низменный, или равнинно-низменный. Характерен для нижнего Амура, где пойма имеет сложное строение. Данный участок представлен несколькими аллювиальными равнинами, за пределами равнин значительную площадь занимают заболоченные понижения днищ древних верхнечетвертичных озер [11]. Для пойменных комплексов, где рельеф сла-бовыражен и влаголюбивая растительность распространена повсеместно, весьма трудно отделить даже современную пойму от надпойменной террасы. Этот широкопойменный участок Амура характеризуется сложной картиной перераспределения стока между рукавами [7, 11].

Нами выделена высокая пойма Амура и его крупных притоков, которые имеют площадь водосбора свыше 10 000 км2. Площадь пойменных территорий во всем бассейне Амура, за исключением мелких и средних водотоков, составляет 80 341 км2. Принимая во внимание расположение действующих ГЭС в бассейне, мы установили, что уже в половине всех пойм (на площади 42 752 км2) в разной степени происходит трансформация естественного стока. Самые сильные изменения стока наблюдаются в нижних бьёфах крупных ГЭС с большими водохранилищами и сохраняются до впадения реки в главное русло Амура.

Рис. 3. Осеннее половодье на нижнем Амуре, космоснимок радиометра ASTER

Рис. 4. Рельеф в бассейне р. Амур

Например, Зейская ГЭС способна полностью регулировать годовой сток участка р. Зея до впадения в нее р. Селемджа. На этом участке режим обводнения пойменных комплексов, а следовательно, и их существование полностью зависят от работы ГЭС.

Трансформация пойменно-русловых экосистем в нижних бьёфах плотин происходит под влиянием изменений гидрологического режима вследствие перехвата водохранилищем части годового или сезонного стока. Чем больше стока может задержать и перераспределить водохранилище, тем выше его влияние на экосистемы нижнего бьёфа. Отношение регулируемого объема стока (ЬУ) к среднемноголетнему или паводковому его объему ^50) отражает потенциал изменения гидрорежима: К = ЬУ / х 100%. От максимума в створе плотины он снижается вниз по течению по мере впадения новых притоков (ЬУ - константа, а ”^0 растет). Этот показатель перераспределения стока широко используется в мировой практике для оценки воздействия ГЭС на пойменные экосистемы [2, 16].

В случае если выше створа расположено несколько водохранилищ, то влияние каждой регулирующей емкости просчитывается отдельно по всем участкам реки, а затем для каждого участка суммируются оценки влияния всех плотин, находящихся выше по течению реки.

Показатель изменения гидрологического режима фактически отражает степень трансформации поймы. С определенными допущениями можно считать, что увеличение перехвата стока ведет к пропорциональному сокращению поёмности - площади и регулярности затопления пойм. Исходя из этого степень изменения пойменных экосистем можно количественно характеризовать произведением показателя К и общей площади экосистем пойменно-руслового комплекса на соответствующем участке. Фактически этот показатель пропорционален площади, залитой в момент сильного паводка поверхности реки.

Обобщенная схема массивов пойм и уровень влияния на них существующих гидротехнических сооружений путем регулирования стока реки показаны в табл. 2.

Таблица 2

Участки основных водотоков, подверженных воздействию крупных ГЭС в бассейне Амура

Участок реки Степень зарегулирования стока реки на участке (К ), % р" Площадь пойменных комплексов на участке, км2 Площадь измененных пойменных экосистем, км2

Зейская ГЭС - Нижнезейская ГЭС 100 1172 1172

Нижнезейская ГЭС - устье р. Зея 52 2893 1782

Бурейская ГЭС - устье р. Бурея 37 576 213

Ниэрцзи ГЭС - устье р. Сунгари 39 8381 3269

Устье р. Зея - устье р. Уссури 34 10729 3648

Устье р. Уссури - устье р. Амур 27 12047 3253

Всего 37* 35798 13337

* Средняя зарегулированность по всем участкам.

Из табл. 2 видно, что наибольшие массивы пойм сосредоточены в среднем и нижнем течении р. Амур, в которых уровень зарегулирования естественного стока реки составляет более 30%. Здесь поймы и русла, подвергшиеся воздействию, утратили часть своих экосистемных функций. Зная площадь поймы на каждом участке речной долины вниз от самых верхних плотин, степень трансформации стока в результате перехвата его водохранилищами и пополнения стока водами незарегулированных притоков, можно определить площадь измененных пойменных экосистем на каждом участке и на реке в целом. Степень изменения поймы оценивается путем деления показателя площади трансформированных пойменных комплексов на общую площадь поймы в долине реки

(или в той части долины, которая затронута влиянием плотин) [5]. Динамика изменения поймы на участках от Зейской ГЭС до устья р. Сунгари показана на рис. 5.

Таким образом, в условиях отсутствия достаточного количества картографических материалов для выделения границ пойм могут использоваться космические снимки. Они отображают реальную ситуацию на местности и при съемках в сезон половодий несут наиболее достоверную информацию о затоплении поймы на реке. Исследования с помощью космоснимков помогут оценить воздействие планируемых ГЭС в нижних бьёфах реки до их строительства.

Приведенный в настоящей статье метод определения границ пойм основан только на экспертном дешифрировании, и полученные результаты желательно сверять на местности. Расчеты показывают, что 44% всех выделенных пойм в бассейне Амура имеют сегодня зарегулированный крупными плотинами гидрорежим.

Рис. 5. Площадь поймы и динамика ее изменения на участках от Зейской ГЭС до устья р. Сунгари

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахтямов М.Х., Кремлев С.М, Ким Ен Гель. Пойменные луга Среднеамурской равнины. Синтаксономия, динамика, экологическая физиология. Владивосток: ДВО АН СССР, 1988. 128 с.

2. Гидроэнергетические ресурсы СССР / под ред. А.Н.Вознесенского. М.: Наука, 1967. 598 с.

3. Готванский В.И. Бассейн Амура: осваивая - сохранить. Благовещенск: Post Scriptum, 2005. 144 с.

4. Гусев М.Н. Морфодинамика днища долины верхнего Амура. Владивосток: Дальнаука, 2002. 232 с.

5. Егидарев Е.Г, Мартынов А.С., Симонов Е.А. Экспресс-анализ экологических последствий разных сценариев освоения гидроэнергетического потенциала речного бассейна (на примере верхней части бассейна Амура) // Web-портал «Белая книга. Плотины и развитие». - http://www.russiandams.ru/reviews/ecologicheskayaotsenka-ges/otsenka-amurskih-ges.php (дата обращения: 23.10.2011).

6. Еленевский Е.А. Вопросы изучения и освоения пойм. М.: Изд-во Всесоюз. акад. сельхоз. наук, 1936. 100 с.

7. Ким В.И. Перераспределение стока между рукавами на широкопойменных участках р. Амур // Материалы XII совещ. географов Сибири и Дальнего Востока. Владивосток: Тихоокеан. ин-т географии ДВО РАН, 2004. С. 188-189.

8. Кравцова В.И. Космические методы картографирования. М.: Изд-во МГУ, 1995. 240 с.

9. Маккавеев Н.И., Чалов РС. Русловые процессы. М.: Изд-во МГУ, 1986. 264 с.

10. Малик Л.К. Географические прогнозы последствий гидроэнергетического строительства в Сибири и на Дальнем Востоке. М.: ИГ АН СССР, 1990. 317 с.

11. Махинов А.Н. Современное рельефообразование в условиях аллювиальной аккумуляции. Владивосток: Дальнаука, 2006. 232 с.

12. Плотины и развитие: новая методическая основа для принятия решений. Отчет Всемирной комиссии по плотинам. М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2009. 200 с.

13. Подольский С.А., Симонов Е.А., Дарман Ю.А. Куда течет Амур? М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2006. 62 с.

14. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство (гидролого-морфологическая теория руслового процесса и ее применение). Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 327 с.

15. Ресурсы поверхностных вод СССР / под ред. А.П.Муранова. Т. 18. Вып. 1. Верхний и средний Амур (от истоков до с. Помпеевка). Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 782 с.

16. Nilsson C., Reidy C.A., Dynesius M., Revenga C. Fragmentation and flow regulation of the world’s large river systems // Srieroe. 2005. Vol. 308. P 405-408.

17. Simonov E.A., Dahmer T.D. Amur-Heilong River Basin Reader. Hong Kong: Eœsystems Ltd, 2008. P 426.

18. The shuttle radar topography mission / Farr T.G., Hensley S., Rodriguez E., Martin J., Kobrfck M. // CEOS SAR Workshop, Toulouse, 26-29 Ос! 1999. Noordwijk, 2000. P 361-363.