Hydrological Stability of Coastal Ecosystems Under the Transformation of Small Towns

Full Text

Введение Изменение состояния водных объектов малых городов - актуальная геоэкологическая проблема, усугубляемая ростом урбанизации и изменением климата. Углич, основанный в XII в. на берегу Волги и Угличского водохранилища, испытывает значительное антропогенное воздействие из-за роста населения и промышленной деятельности, что приводит к техногенному загрязнению водоемов, снижению биоразнообразия и ухудшению качества воды [1-3]. В глобальном контексте изменение гидрографии малых городов является частью более широкой экологической проблемы, связанной с изменением климата и интенсификацией использования природных ресурсов. Применение современных методов дистанционного зондирования [4], включая индекс NDWI, способствует формированию мероприятий по управлению гидрологическими изменениями. В городе Углич представлены как крупные, так и малые водотоки, играющие важную роль в локальной экологии. По данным [5], суммарный приток от рек Дубна, Хотча и Медведица формирует около 29 % общего объема воды в Угличском водохранилище; за 2013-2018 гг. (рис. 1) отмечены значительные колебания этого показателя. Авторы указывают на критическую важность контроля сезонно-годовых изменений донных отложений, вызывающих уменьшение объема водоема и зарастание мелководных участков. Рис. 1. Статистика объема притока воды в Угличское водохранилище за 2013-2018 гг., тыс. м3 Источник: составлено В.А. Шиловым. Figure 1. Statistics of water inflow volume into the Uglich Reservoir for 2013-2018, thousand m³ Source: compiled by the V.A. Shilov. Полевые исследования подтверждают, что наибольшая нагрузка на водные объекты в малых городах исходит от неорганизованных хозяйственно-бытовых стоков и поверхностных водосбросов, возникающих при строительстве и благоустройстве прилегающих территорий [2; 8]. Эти факторы влекут ухудшение качества воды, обмеление рек и сокращение биоразнообразия, что особо критично для малых городов с их рекреационными функциями. Использование геоинформационных систем (ГИС) упрощает поиск зон эрозии, обмеления и загрязнения, особенно в условиях урбанизации [5; 6; 10; 12]. Для малых городов это обеспечивает быстрый анализ территорий с учетом туристского потенциала и проектирование инфраструктурных решений [7]. Исследования [4-9; 11] указывают на комплексность проблем сохранения водных ресурсов и предлагают, помимо охранных зон и восстановления природных ландшафтов, внедрять инновационные системы очистки поверхностных стоков. Работа [13] показывает, что техногенные воздействия увеличивают глубину залегания подземных вод на 6-7 м и минерализацию до 10,3 г/л, снижая потенциал водоснабжения. Исследование [14] на примере Кумо-Манычской впадины демонстрирует влияние гидротехнических сооружений: сток взвешенных наносов достигает 1,2 кг/м³, мутность воды возрастает на 33 %, а общий объем стока увеличивается в 10-20 раз. При этом [15] подчеркивает, что даже природные факторы (рельеф, климат, почвы и растительность) могут быть радикально изменены техногенными нагрузками. Цель исследования - анализ трансформации водных объектов города, включая прибрежные зоны Волги и впадающих в нее городских ручьев за период 1985-2024 гг. с применением индекса NDWI и ГИС-моделирования, которая произошла под воздействием различных антропогенных параметров, влияющих на экосистемную устойчивость и поддержание рекреационной ценности гидрографии в условиях интенсивной урбанизации, что позволит моделировать будущие сценарии экологического развития территории. Материалы и методы Город Углич, расположенный на правобережье реки Волги в Ярославской области, отличается умеренно-континентальными климатическими условиями: средняя годовая температура достигает примерно +3,4 °C, а объем осадков колеблется в диапазоне 500-600 мм [5]. Данные природно-климатические характеристики способствуют формированию в городской черте целого ряда водотоков, среди которых можно выделить Каменный, Селивановский и Троицкие ручьи. Каменный ручей, являющийся правобережным притоком Волги, выбран в качестве ключевого объекта наблюдения ввиду значительных изменений его состояния, вызванных хозяйственной деятельностью и процессами благоустройства. Его протяженность составляет около 2,2 км, при этом устьевая часть преобразуется в залив длиной порядка 400 м и шириной около 40 м. Площадь водосбора ручья равна 3,12 км², что повышает чувствительность этой акватории к антропогенному влиянию в пределах городской застройки. В рамках исследования проведено дешифрование космических снимков Landsat 5 (08.06.1985 г.) и Landsat 8 (28.06.2024 г.) с применением программного комплекса QGIS (версия 3.34) (рис. 2). Для уточнения режимов использования и правового статуса территорий была проанализирована Публичная кадастровая карта (рис. 3). Источниками загрязнения водных объектов выступают поверхностный сток и отходы потребления. Подобное воздействие вызывает угнетение водных экосистем, способствует обмелению и ухудшению качества воды, а также сокращению площади водоемов, что негативно отражается на экологической обстановке в городе и снижает туристическую привлекательность Углича. а б Рис. 2. Дешифрирование фрагментов космических снимков: а - спутник: Landsat 5_от 08.06.1985; б - спутник: Landsat_8 от 28.06.2024 Источник: составлено В.А. Шиловым. Figure 2. Interpretation of Satellite Image Fragments: a - Satellite: Landsat 5 from 08.06.1985; б - Satellite: Landsat 8 from 28.06.2024. Source: compiled by the V.A. Shilov. Рис. 3. Карта функциональных зон городского поселения Углич Источник: составлено В.А. Шиловым по данным публичной кадастровой карты. URL: https://ik5map.roscadastres.com/map (дата обращения: 15.01.2025). Figure 3. Map of Functional Zones of the Uglich Source: compiled by the V.A. Shilov. Для анализа изменений границ водоемов был применен индекс NDWI (Normalized Difference Water Index), который помогает выделить водные объекты на спутниковых снимках. NDWI рассчитывается как разница между значениями зеленого и ближнего инфракрасного каналов космического снимка, поделенная на их сумму [9]: (1) Высокие значения индекса NDWI указывают на присутствие водных объектов, так как вода имеет низкое отражение в инфракрасном диапазоне и высокое в зеленом. Результаты и обсуждение Сравнение индекса NDWI для р. Волги и ее притоков на территории города Углич в результате графического анализа послойного наложения моделей космических снимков 1985 и 2024 гг. указывает на сужение некоторых участков водоемов и изменение их контуров - красное множество точек на полученной сравнительной модели (рис. 4). В результате была составлена зависимость сокращения площади прибрежных зон р. Волги города Углич за исследуемый период, а также дан прогноз последующих изменений. a б Рис. 4. Модель изменения границ прибрежной зоны р. Волги города Углич в период с 1965 по 2024 г.: а - результат объединения космических снимков NDWI-обработки; б - векторный анализ зон изменения площади Источник: составлено В.А. Шиловым. Figure 4. Model of Changes in the Coastal Zone Boundaries of the Volga River in the City of Uglich from 1965 to 2024: a - result of merged satellite images processed with NDWI; б - vector analysis of area change zones. Source: compiled by the V.A. Shilov. В ходе проведенного анализа космических снимков в программном комплексе QGIS (версия 3.34) с применением индекса нормализованной разницы водного объекта (NDWI) и дальнейшей векторизации растровых данных была зафиксирована количественно оцениваемая динамика изменения площади реки Волги в пределах административных границах г. Углич. Согласно полученным данным, совокупная площадь прибрежных зон р. Волги сократилась примерно на 3,9 % (рис. 5), что соответствует 90 968,887 м². Несмотря на кажущуюся незначительность данного показателя в абсолютном выражении, подобное уменьшение может оказать существенное влияние на экологическую стабильность локальных водных систем, особенно при рассмотрении малых водотоков и прибрежных зон, а также служить индикатором накопления загрязняющих веществ, донных отложений. Идентифицированные преобразования могут быть обусловлены как антропогенными, так и природными факторами. К антропогенным причинам на указанной территории относятся интенсивное благоустройство прибрежных территорий, усиление урбанизации, изменения в использовании водных ресурсов и инженерные вмешательства в русловые процессы. Среди природных факторов следует выделить эрозионные процессы береговых линий, нестабильность гидрологических циклов, колебания климатических условий и снижение уровня осадков, что в совокупности может приводить к изменению контуров и площади водных объектов. Анализ архивных спутниковых снимков с 1985 по 2024 г. показывает, что сокращение прибрежных зон р. Волги началось задолго до реконструкции прибрежных зон в 2023 г. Последние климатические изменения за исследуемое время усиливают эту тенденцию. Аномально теплый, сухой и солнечный осенний период приводит к быстрому высыханию почв в бассейнах Верхней Волги и других рек, что вызывает поверхностное промерзание почвы (до 20 см) к началу зимы и последующее интенсивное впитывание талых вод, а теплая и сравнительно сухая весна с растянутым снеготаянием и дефицитом осадков способствует слабому половодью. Стабильное повышение средних зимних температур ускоряет испарение воды, что в сочетании с работой каскада ГЭС в Верхневолжском бассейне, задерживающего поступление воды и способствующего заиливанию, привело к снижению водного баланса и постепенному сокращению прибрежных зон р. Волги. Происходящие явления требуют внедрения системного подхода по мониторингу экологических процессов на всем протяжении реки. Управленческие решения в сфере водохозяйственного комплекса должны основываться на комплексном анализе экологических показателей, включающем исследование состояния донных отложений и влияние хозяйственной деятельности на гидрографические объекты, тогда как в настоящее время такие решения принимаются без достаточного учета научных данных и экспертных оценок. При доминировании антропогенной компоненты сокращение водной поверхности может рассматриваться как важный индикатор экологической нестабильности, указывающий на необходимость принятия стратегических мер по сохранению и восстановлению природных водных систем в контексте устойчивого развития городской среды. Кроме того, наблюдается сужение отдельных участков Каменного ручья и реки Волги, особенно в зонах городской застройки, где проведено укрепление и выравнивание берегов. Эти изменения оказывают влияние на гидрологический режим, ограничивая естественное распространение воды и увеличивают антропогенное давление на экосистему водоемов. Недавнее благоустройство набережных и прилегающих территорий центральной части г. Углич (2023 г.) повысило туристическую привлекательность города, но одновременно усилило нагрузку на водные объекты. Предлагается гипотетическая модель создания буферных зон, которые могли бы минимизировать влияние городской инфраструктуры на водные ресурсы. На рис. 6 представлена схема предполагаемых буферных зон, выделенных красной штриховой областью. Данные зоны включают в себя участки, расположенные вдоль основных мелких водотоков города с целью снижения загрязнения поверхностным стоком, улучшения водообмена и поддержания устойчивости экосистем. Рис. 5. Динамика сокращения площади прибрежных зон р. Волга Источник: составлено В.А. Шиловым. Figure 5. Dynamics of the Reduction in the Area of the Coastal Zones of the Volga River Source: compiled by the V.A. Shilov. Рис. 6. Гипотетическая модель прогнозируемых буферных зон защиты ручьев на территории г. Углич Источник: составлено В.А. Шиловым. Figure 6. Hypothetical Model of Predicted Buffer Zones for Stream Protection in the Territory of Uglich Source: compiled by the V.A. Shilov. Буферная зона в данном исследовании рассматривается не как охранная зона в традиционном понимании требований Водного кодекса РФ (ст. 65 ВК РФ)[32] в части охраны водных ресурсов, а как территория, требующая особого внимания с экологической точки зрения. Это участки, на которых воздействие антропогенных факторов и природных изменений, таких как накопление отходов и загрязненный поверхностный сток с урбанизированных территорий, наиболее ярко проявляется, создавая угрозы для гидрологической и экологической устойчивости. Данная методология ГИС-моделирования буферных зон позволяет сосредоточить усилия на участках, где воздействие антропогенных факторов приводит к наиболее существенным изменениям гидрографии (в частности, малые водные объекты обладают ограниченными ресурсами для саморегуляции), и разработать стратегии по локализации и устранению источников загрязнений. Для эффективного управления буферными зонами требуется комплексный подход, включающий экологический мониторинг, разработку планов по рекультивации нарушенных территорий и внедрение природоподобных технологий[33]. Например, в контексте Углича создание буферных зон вдоль городских ручьев и его прибрежных территорий может включать мероприятия: · по регенерации растительного покрова для предотвращения эрозии почвы; · организации локальных систем очистки поверхностного стока; · проведению регулярного экологического мониторинга с целью оценки состояния водных ресурсов. Выводы На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. 1. ГИС-модели, полученные в ходе NDWI-обработки космических снимков, позволили выявить сокращение площади водных объектов примерно на 3,9 % (90 968,9 м²), что может оказывать существенное воздействие на гидрологический режим, биоразнообразие и рекреационную ценность водных ресурсов малых городов, повышая уязвимость данных экосистем к антропогенной нагрузке при интенсивной урбанизации. 2. Использование ГИС-инструментария эффективно для выявления территорий повышенной экологической уязвимости как в режиме реального времени, так и при анализе долгосрочных трансформаций, с учетом особенностей ландшафта и анализа техногенных объектов инженерной инфраструктуры. 3. Внедрение экологически безопасных инфраструктурных решений необходимо осуществлять через пространственную идентификацию и моделирование буферных зон уязвимых территорий, имеющих экологические проблемы, которые могут быть определены методами ГИС-анализа камерально. 4. Усиление системного контроля соблюдения требований водоохранного законодательства, разработка мероприятий по охране окружающей среды с использованием современных методов, включая дистанционное зондирование и пространственный анализ, являются актуальными задачами для сохранения природных ресурсов малых городов, таких как Углич, что даст возможность минимизировать экологический ущерб и повысить привлекательность города для туристов. 5. Разработка экологически безопасных технологий и включение природоподобных решений в инфраструктурные проекты, воспроизводящие системы и процессы живой природы в виде технических систем и технологических процессов и интегрированные в природную среду и естественный природный ресурсооборот, позволят не только снизить экологические риски, но и повысить эффективность управления водными ресурсами.

About the authors

Vladimir A. Shilov

Yaroslavl State Technical University

Author for correspondence.
Email: shilovva@ystu.ru
SPIN-code: 7471-6675
PhD student, Assistant at the Department of Infrastructure and Transport 88 Moskovsky Prospekt, Yaroslavl, 150023, Russian Federation

Olga V. Ladygina

Yaroslavl State Technical University

Email: ladyginaov@ystu.ru
Ph.D. in Technical Sciences, Head of the Department of Infrastructure and Transport 88 Moskovsky Prospekt, Yaroslavl, 150023, Russian Federation

References

Supplementary files