Применение методов дистанционного зондирования для оценки мутности вод Авачинской бухты

Мутность воды — это показатель, отражающий степень ее прозрачности и количество взвешенных частиц, таких как органические и неорганические вещества, планктон, микроорганизмы и другие загрязнители. Высокая мутность может иметь значительное влияние на экосистемы водоемов [13].

Мутные воды поглощают и рассеивают солнечный свет, что приводит к уменьшению его проникновения на глубину. Это ограничивает доступ света для фотосинтетических организмов, таких как фитопланктон, который является основным производителем в водных экосистемах.

Объектом исследования в данной работе выступает Авачинская бухта, расположенная в юго-восточной части полуострова Камчатка и являющаяся уникальным природным объектом, который подвергается влиянию различных природных и антропогенных факторов.

Авачинская бухта представляет собой область площадью 238 квадратных километров с глубиной до 28 метров [4]. Бухта практически не замерзает зимой. Основное течение в бухте движется по часовой стрелке и проходит вдоль ее берегов. Однако в некоторых частях, особенно в северных и западных, оно ослабевает. В результате вода перемешивается слабо, и обновление водных масс происходит медленно. Мутность воды в Авачинской бухте меняется в зависимости от сезона и погодных условий. В весенне-летний период, во время активного таяния снегов и дождей, происходит повышенный сток рек Авача и Паратунка, что увеличивает содержание взвешенных веществ в воде [11]. На рисунке 1 отображена многолетняя динамика поступления взвешенных веществ со стоком рек по данным ежегодников о гидрохимическом состоянии морей, представляемых Государственным океанографическим институтом им. Зубова (ГОИН). За последние 20 лет среднее значение поступающей взвеси вместе с реками в Авачинскую бухту составило 98,62 тыс. тонн.

Помимо всего прочего, особую роль в формировании зон с повышенной мутностью играет геологическое строение и влияние Авачинско-Корякской группы вулканов. В районе прилегающей к бухте территории суши широко распространены разновозрастные (от мела до голоцена) эффузивно-пирокластические отложения [12].

Также стоит отметить влияние рельефа на мутность воды. Горные районы, резкие перепады рельефа способствуют выносу большего количества рыхлого вулканогенного материала со склонов, особенно во время обильных осадков.

Современный рельеф, окружающий Авачинскую губу, имеет резкие перепады высот. Например, в южной части — гряда с высотными отметками примерно 300—400 м над уровнем моря, в западной части — горный массив Вачкажец с максимальной высотной отметкой 1556 м. Рельеф примыкающего к Авачинской губе города Петропавловска-Камчатского в Северо-Западной имеет форму увалов высотой до 200—250 м, которые сложены взрывными (глыбово-щебнисто-пепловыми) отложениями среднего и верхнего плейстоцена, а в низинах находятся озерно-болотные голоценовые осадки, сумммарная мощность которых достигают 50—100 м. Переходная субмеридиональная зона включает останцы меловых метаморфизованных пород (например, сопки Зеркальная и Синичкино), а также экструзии плейстоценовых андезитов (сопка Мишенная). В линейных понижениях между сопками наблюдается резкое увеличение мощностей пролювиально-делювиальных отложений до 100—200 м и более, а также увеличение мощности озерно-болотных голоценовых осадков в изометричных впадинах. Юго-восточная часть представлена водораздельным плато высотой до 500 м со ступенчатыми склонами, обращенными к Авачинской бухте. Водораздел и склоны сформированы из меловых метаморфизованных пород и диабазов, покрытых тонким слоем элювиально-делювиальных отложений. На склонах, выходящих к океану, расположены миоцен-плиоценовые вулканиты, а также низкие морские аккумулятивные террасы на высотах 10—20 м [1][2][10].

Формирование вулканической группы началось по меньшей мере со среднего плейстоцена. В историческое время известны извержения Корякского и Авачинского вулканов. Последнее извержение Корякского вулкана произошло в 1956—1957 гг., когда из радиальной прикратерной трещины на северо-западном склоне наблюдались выбросы газов и пепла. Авачинский вулкан извергался в 1945 г. Извержение было эксплозивным, выпало большое количество пепла. В настоящее время оба вулкана находятся в стадии фумарольной деятельности [8].

Авачинская группа вулканов находится на окраине Налачевского вулканического центра и представляет собой его юго-восточный участок. Вулканический центр начал формироваться с миоцена, и некоторые аспекты его структурной истории можно проследить с мел-палеогенового периода. На юге Авачинская группа вулканов соседствует со сложной купольно-кольцевой структурой Авачинской бухты, которая в основном развивалась в плиоцене. В пределах этой группы располагаются голоценовые вулканы. В настоящее время эта структура характеризуется повышенной сейсмической активностью [8].

В большинстве рек, расположенных на описанных выше вулканических территориях, во время половодья и паводков наблюдаются уровни мутности, превышающие 20 мг/л. В притоках реки Авача на левом берегу средняя годовая мутность достигает 100 мг/л [3].

На рисунке 2 показано соотношение гранулометрического состава взвешенных веществ, которые поступают в реку Авача.

Бассейн реки Авача составляет 5090 км², протяженность самой реки — 122 км. Река Паратунка берет свое начало в предгорьях Вилючинской сопки и имеет дину 81 км, площадь бассейна значительно меньше и равна 1500 км². На рисунке 3 отображены карта-схема расположения бассейнов рек Авача и Паратунка и их положение относительно некоторых вулканов.

Спектральные индексы (СИ) — это количественные показатели, рассчитанные на основе отражательной способности объектов в различных спектральных диапазонах. Эти индексы используются для выявления, анализа и классификации характеристик поверхности Земли, водоемов, атмосферы и других объектов. Расчет спектральных индексов осуществляется с использованием данных, полученных дистанционными методами, чаще всего со спутников или БПЛА, оснащенных спектральными датчиками.

Спектральные индексы строятся на основе информации, полученной из мультиспектральных или гиперспектральных снимков, которые содержат данные об интенсивности отраженного электромагнитного излучения в определенных длинах волн [5] (рисунок 4 составлен из комбинации каналов R, G, B и представляет собой максимально приближенное к натуральному цвету изображение Авачинской бухты).

Спектральные индексы представляют собой математические комбинации (обычно в виде отношений, разностей или их комбинаций) значений яркости в различных спектральных каналах. Например, используемый в данной работе нормализованный разностный индекс мутности (NDTI, Normalized Difference Turbidity Index) основан на анализе соотношения отражательной способности в красной (RED) и зеленой (GREEN) частях спектра [6][14] (формула (1)).

(1)

где RED — отражательная способность в красной части спектра (диапазон 620—700 нм); GREEN — отражательная способность в зеленой части спектра (диапазон 500—580 нм).

В настоящее время существует большое количество спектральных индексов, применяемых в различных отраслях, самыми распространенными являются вегетационные индексы NDVI, EVI, SAVI, используемые для оценки состояния и биомассы растительности [7], также существуют почвенные индексы SI, NDSI, которые позволяют анализировать состояние почвы и ее характеристики; геологические индексы LSWI, CRSI и т.д.

Индекс NDTI позволяет фиксировать изменения концентрации взвешенных частиц, таких как ил, глина, песок, органические вещества и т.д., которые значительно влияют на отражение в красной и зеленой частях спектра [9]. Он особенно полезен для анализа вод с низкой прозрачностью, где традиционные методы визуального мониторинга могут быть затруднительны в использовании.

Мультиспектральные изображения можно получить с помощью различных спутников, таких как Landsat, ASTER, MODIS и т.д., в данной работе были использованы снимки со спутника Sentinel-2.

Наиболее показательными являются снимки в летне-осенний период, также в это время получение снимков наиболее доступно, так как значения облачности ниже, чем в остальные месяцы, даты съемок представлены в таблице.

На рисунках 5 и 6 представлены полученные карты пространственного распределения мутности по индексу NDTI, эти снимки являются самыми показательными из всех и достаточно контрастно отображают влияние выноса взвешенных веществ со стоком рек Авача и Паратунка на формирование повышенной зоны мутности в северной части Авачинской бухты.

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что в 2020 году наблюдалось наибольшее значение показателя мутности воды. Это может быть связано с несколькими факторами, основными из которых являются метеорологические.

Как известно, на интенсивность речного стока воздействует количество выпадающих осадков (дождевых). Для определения данной взаимосвязи в рамках выполненной работы были получены данные с ближайшей метеостанции, которые подтвердили вышеизложенную взаимосвязь. Так, накануне съемки в августе 2020 года за несколько дней выпало 32 мм дождевых осадков, в то время как в сентябре перед съемкой выпало 4,5 мм.

Выводы

Как показывают результаты исследований, дистанционное зондирование Земли играет важную роль в оценке мутности морских вод. Эта технология позволяет получать данные о состоянии водоемов на больших площадях, и в том числе в реальном времени, что делает ее незаменимым инструментом для мониторинга морских экосистем.

Наши исследования показали, что реки, бассейны которых расположены в зоне влияния Авачинско-Корякской группы вулканов, являются основными поставщиками взвешенных веществ в Авачинскую бухту. Построенные карты пространственного распределения индекса NDTI за два года показали, что основная область повышенной мутности возникает в дельте рек Авача и Паратунка и прибрежных частях Авачинской бухты.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Королькова А.И — внесла основной вклад в разработку концепции статьи, внесла вклад в разработку методики научных исследований и оценки результатов исследования, подготовила текст статьи, окончательно утвердила публикуемую версию статьи и согласна принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Иванов А.А. — внес вклад в разработку концепции статьи, проводил анализ результатов, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работ.

Aleksandra I. Korolkova — made the main contribution to the development of the concept of the article, contributed to the development of the methodology of the article and the results of the study, prepared the text of the article, gave final approval to the published version of the article and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.

Andrey A. Ivanov — made the main contribution of the concept of the article, analyzed the results, finally approved the published version of the article and agrees to assume responsibility for all aspects of the work.