Оценивание динамики зарастания Невской губы Финского залива водными макрофитами по данным дистанционного зондирования Земли за длительный период наблюдений



В статье представлены результаты анализа динамики изменения площади зарастания водной поверхности Невской губы за период с 1986 по 2021 год по данным дистанционного зондирования Земли. Обработка снимков проводилась в геоинформационной системе QGIS. В качестве показателя наличия растительности применялся вегетационный индекс NDVI. Для достижения цели исследования изучена технология расчета площади зарастания водной поверхности по снимкам, проведен анализ изменения участков зарастания за длительный интервал наблюдения, определены наиболее подверженные зарастанию участки акватории, проведен анализ возможных путей предотвращения ускоренной эвтрофикации Невской губы.

Ключевые слова: Невская губа Финского залива, эвтрофикация водоемов, водные макрофиты, дистанционное зондирование Земли, многоспектральное изображение, вегетационный индекс.

Деятельность человека по освоению окружающего мира в большинстве случаев приводит к необратимым изменениям природой среды и ухудшению состояния экологической обстановки. По причине высоких темпов урбанизации и роста городских территорий меняются ареалы обитания животных и птиц, повышается нагрузка на водные ресурсы, остро встает вопрос хранения и переработки твердых бытовых отходов.

Санкт-Петербург — яркий пример значительного роста численности населения и городских территорий за незначительный промежуток времени. Количество жителей города за последние десять лет увеличилось почти на миллион и по неофициальным данным приближается к 7 миллионам [1].

Строительство комплекса защитных сооружений, намыв территории в рамках реализации проекта «Морской фасад» Санкт-Петербурга, сброс в Неву сточных и отработанных вод с предприятий промышленности негативно воздействуют на ближайший к городу крупный водный объект — Невскую губу Финского залива. Постепенное обмеление и снижение скорости течения водных масс способствуют зарастанию водоема водными макрофитами — крупными растениями водной флоры, представленными в Невской губе зарослями камыша, тростника, осоки и макроводорослями.

В настоящее время водные объекты подвержены загрязнению и всё в большей степени — бытовому загрязнению. Важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов, т. е. насыщение водоемов биогенными элементами, сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов [2]. Проблема антропогенного эвтрофирования водоемов возникла в 20-х годах ХХ века и за короткий срок приобрела значение одной из самых актуальных. Эвтрофирование водоемов стало распространяться с угрожающей скоростью на всех континентах и стало повсеместным явлением. В настоящее время оно охватывает около 90 % всех озер мира, включая крупнейшие из них. Однако серьезное внимание этим процессам начали уделять лишь в середине ХХ века, когда во многих озерах Европы и Северной Америки негативные последствия эвтрофирования привели к угрожающим последствиям их экологического состояния.

Техногенное воздействие на дно Невской губы началось с основания Санкт-Петербурга [3]. На искусственных островах в акватории было возведено 17 фортов. Первый форт «Кроншлот» был построен в 1704 г. по проекту и под руководством самого Петра I. Между островом Котлин и берегами губы в XVIII-XIX вв. были сооружены ряжевые преграды, представляющие собой линии затопленных деревянных срубов, заполненных камнем. В 1885 г. закончилось строительство Морского канала, глубины в котором достигали 12 м. В XX в. проводились масштабные работы по углублению фарватеров, подводной добыче песка, в 1979 г. началось строительство Комплекса защитных сооружений Ленинграда от наводнений. По дну были также проложены многочисленные кабели, частично заглубленные в подводные траншеи. В конце 1980-х — начале 1990-х гг. в юго-восточной части губы производились гидротехнические работы по намыву новых городских территорий.

С началом строительства пассажирского порта в 2005 г. содержание взвеси в воде резко возросло (рис. 1). Интенсивность техногенного воздействия, обусловившая высокую нагрузку на акваторию, в данном случае связана с одновременным осуществлением работ по намыву новых территорий, дноуглублению в пределах фарватеров и дампингу в районах Южной и Северной Лахты.

В 2014 году началось строительство многофункционального морского перегрузочного комплекса (ММПК) «Бронка», расположенного вблизи г. Ломоносов. Дноуглубительные работы начались в середине 2014 года. Для реализации проекта было произведено дноуглубление у причальной стенки порта, а также прорыт 6-километровый судоходный подходной канал глубиной 14,4 метра. По данным оператора порта Бронка, ООО «Феникс», в ходе работ в общей сложности с морского дна было поднято 28 млн. м ³ глины, песка и ила.

По результатам экологического мониторинга было установлено, что значительных нарушений экологического состояния акватории не выявлено. Строительство в основном повлияло на Невскую губу, но при этом еще до начала строительства порта «Бронка» воды Невской губы характеризовались как «умеренно-загрязненные». Тем не менее, повышенная мутность воды также была зафиксирована на космических снимках (рис. 2).

Рис. 1. Изображение Невской губы по данным Landsat -5 за 19 сентября 2006 г. В Невской губе проводятся дноуглубительные работы с отвалом грунта вдоль мелководного северного побережья

Снимки земной поверхности из космоса являются удобным средством получения данных об объектах, расположенных на большой территории. Кроме того, применение многоспектральной аппаратуры на борту космического аппарата позволяет выполнить качественный анализ объектов подстилающей поверхности в различных диапазонах электромагнитного спектра.

Состояние растительности по данным космической съемки оценивается при помощи вегетационного индекса NDVI , значение которого рассчитывается на основе коэффициентов спектральной яркости для красной и инфракрасной областей спектра по следующей формуле [4]:

(1)

где NIR — коэффициент для ближней ИК-области спектра, Red — для красной области.

Рис. 2. Изображение Невской губы по данным Landsat -8 за 5 июня 2015 г. Загрязнение акватории Невской губы при строительстве ММПК «Бронка»

Значения индекса NDVI находятся в интервале от -1 до 1, при этом значения от -1 до 0 принадлежат к объектам неживой природы и инфраструктуры, а значения в диапазоне от 0 до 1 принадлежат растительности. На рис. 3 показан космический снимок Финского залива, а также массив коэффициентов NDVI , представленный в псевдоцветной палитре. Завихрения в акватории Финского залива — скопления водорослей, которые хорошо видны даже невооруженным глазом.

Дистанционный мониторинг состояния земной поверхности с помощью космических аппаратов ведется уже давно. Совместная программа NASA и Геологической службы США Landsat — наиболее продолжительный проект по получению спутниковых фотоснимков планеты. Первый из спутников в рамках программы был запущен в 1972 году; последний, на настоящий момент, Landsat 9–27 сентября 2021 года.

Рис. 3. Изображения участка Финского залива и массив коэффициентов NDVI в псевдоцветном отображении

Помимо американской программы наблюдений за состоянием земной поверхности, в работе используются данные космической группировки Sentinel -2 — семейства спутников дистанционного зондирования Земли Европейского космического агентства, созданного в рамках проекта глобального мониторинга окружающей среды и безопасности «Коперник» [5]. На рис. 4 приведены сопоставительные данные многоспектральных сенсоров, установленных на космические аппараты Landsat -7, 8 и Sentinel -2.

Рис. 4. Сравнение спектральных диапазонов сенсоров ETM + ( Landsat -7), OLI , TIRS ( Landsat -8,9) и Sentinel -2

Для оценивания состояния акватории Невской губы в работе использованы материалы космической съемки, полученные космическими аппаратами за период с 1986 по 2021 год с интервалом в 6–7 лет. Данные дистанционного зондирования Земли, используемые в работе для проведения исследований, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для проведения исследований

№ п/п	Год съемки	Космический аппарат	Сенсор	Пространственное разрешение, м
	1986 г.	Landsat-4,5	TM	30
	1993 г.	Landsat-4,5	TM	30
	1999 г.	Landsat-4,5	TM	30
	2007 г.	Landsat-7	ETM+	30
	2014 г.	Landsat-8	OLI	30
	2021 г.	Sentinel-2	MSI	10

Для оценки изменения площади зарастания водной поверхности Невской губы были использованы космические снимки аппаратов Landsat (аппараты № 4, 5, 7, 8) и Sentinel -2A, 2B, полученные с помощью интернет-ресурса архива Геологической службы США ( USGS ) EarthExplorer [6]. При отборе снимков учитывалось состояние облачности в момент съемки для минимизации воздействия атмосферы на результат обработки. Для проведения исследований в работе использован период вегетации с мая по ноябрь, даты съемки выбраны приблизительно раз в две недели.

Схема обработки данных космической съемки включает в себя следующие этапы:

1. Расчет массива коэффициентов вегетационного индекса NDVI на основе значений красного и ближнего инфракрасного каналов многоспектрального снимка.
2. Пороговое преобразование массивов NDVI , получение бинарных массивов с отображением участков наличия растительности.
3. Кадрирование бинарных массивов по маске границы водной поверхности Невской губы.
4. Подсчет площади участков растительности.

Обработка данных космической съемки производилась с помощью инструментов обработки растровых данных геоинформационной системы Quantum GIS [7]. Промежуточные результаты обработки исходных изображений показаны на рис. 5.

Рис. 5. Промежуточные результаты обработки исходных изображений:

а) исходное изображение водной поверхности Невской губы;

б) массив коэффициентов вегетационного индекса NDVI ;

в) результат порогового преобразования с маской береговой линии;

г) результат кадрирования бинарного массива по маске береговой линии

На рис. 6 в виде графиков представлены результаты расчетов площади зарастания водной поверхности Невской губы водными макрофитами в течение вегетационного периода в рассматриваемые годы наблюдения. Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующие выводы:

1. Внешний вид графиков зависимости площади зарастания водной поверхности от даты наблюдения в целом одинаков для наблюдений в разные годы исследований. Начиная с наименьшего значения в мае, значение площади зарастания увеличивается до максимума в августе-сентябре и затем спадает к концу октября — началу ноября.

Рис. 6. Динамика изменения площади зарастания водной поверхности Невской губы за длительный интервал наблюдения

2. На протяжении всего периода исследования наблюдается пропорциональный рост площади зарастания водной поверхности, с каждым периодом максимальные значения рассчитываемой площади зарастания увеличиваются. Если в 1986 году максимальное значение площади зарастания было равным приблизительно 6 млн. кв. м, то в 2021 году максимум составлял уже 10 млн. кв. м. Указанная тенденция не подтверждается наблюдениями 2007 года, что объясняется значительным помутнением воды по причине проведения гидротехнических работ по намыву территории в 2006–2008 годах и сокращением популяции водных макрофитов в указанный период.
3. По той же причине (проведение гидротехнических работ) на графиках 2007 и 2014 года после некоторого максимума, полученного в августе, наблюдается значительный спад величины площади зарастания. В период сентября графики 2007 и 2014 года идут вниз более стремительно, чем в аналогичный период других годов наблюдения.

Визуальный анализ участков зарастания водной поверхности в Невской губе показывает, что наибольшему зарастанию подвержены участки между Петергофом и Стрельной, прибрежная зона северо-восточной части острова Котлин, участок восточнее Ломоносовской гавани, а также северное побережье Невской губы (рис. 7).

Рис. 7. Участки водной поверхности с наибольшей степенью зарастания:

а) северо-восток о. Котлин; б) берег залива у г. Стрельна;

в) берег залива у г. Ломоносов; г) северное побережье Невской губы

Если сопоставить местоположение участков водной поверхности, наиболее подверженных зарастанию, с картой глубин Невской губы Финского залива, то можно сделать соответствующий вывод о непосредственной связи ускоренного роста водных растений с малой глубиной водоема у побережья. С другой стороны, наличие отмелей в восточной части губы не приводит к зарастанию данного участка водными макрофитами, что связано с более высокой скоростью течения водных масс при выходе из устья Невы.

Кроме того, деятельность крупных антропогенных объектов, таких как Северная станция аэрации и Юго-Западные очистные сооружения, приводит к повышению температуры и насыщению биогенным материалом прибрежных вод за счет сброса стоков, что, в свою очередь, также способствует ускоренному развитию водных макрофитов.

Разработанные к настоящему времени меры борьбы с антропогенным эвтрофированием сводятся, в основном, к созданию водоочистных технологий, инженерных сооружений и строительных систем для ограничения поступления в водоемы соединений азота и фосфора, вызывающих «цветение» воды. Наиболее широко используемыми в практике техническими мероприятиями являются разнообразные методы и технологические схемы удаления биогенных веществ из сточных вод [8, 9]. Из всего разнообразия существующих методов предотвращения эвтрофикации водоемов, для рассматриваемого случая Невской губы можно было бы рекомендовать предварительную очистку и ограничение сброса сточных и отработанных вод в Неву и Невскую губу, а также создание гидротехнических сооружений с целью улучшения гидродинамики вод.

Таким образом, анализ динамики зарастания водной поверхности Невской губы водными макрофитами в течение длительного периода наблюдения показал, что площадь участков зарастания за период с 1986 по 2021 год увеличилась более чем в 1,5 раза. Участки водной поверхности Невской губы, подверженные зарастанию, в большинстве случаев располагаются на мелководье вблизи антропогенных объектов, таких как комплекс защитных сооружений и станции водоочистных сооружений. Данный факт подтверждает негативное влияние функционирования антропогенных объектов на состояние акватории Невской губы и ускорение процесса заболачивания водоема.

Результаты исследовательской работы позволяют утверждать, что использование современных технологий получения и обработки спутниковых данных позволяет обнаружить очаги зарастания водной поверхности, выявить причины ускоренного роста водных макрофитов и предотвратить развитие процесса заболачивания крупных водоемов, таких как Невская губа Финского залива.

Литература:

1. Население Санкт Петербурга по данным Росстат [Электронный ресурс]. — URL: https://rosinfostat.ru/naselenie-sankt-peterburga. Дата обращения: 13.05.2024.
2. Науменко М. А. Эвтрофирование озёр и водохранилищ. Учебное пособие — СПб.: изд. РГГМУ, 2007. — 100 с.
3. Давидана И. Н., Савчук О. П. Экосистемные модели. Оценка экологического состояния Финского залива. Часть II. Гидрометеорологические, гидрохимические, гидробиологические, геологические условия и динамика вод Финского залива / И. Н. Давидана. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1997. — C. 150–449.
4. NDVI — теория и практика [Электронный ресурс]. — URL: https://gis-lab.info/qa/ndvi.html. Дата обращения: 13.05.2024.
5. Sentinel-2A, 2B [Электронный ресурс]. — URL: https://innoter.com/ sputniki/sentinel-2a-2b. Дата обращения: 13.05.2024.
6. United States Geological Survey [Электронный ресурс]. — URL: https://earthexplorer.usgs.gov. Дата обращения: 13.05.2024.
7. QGIS User Guide [Электронный ресурс]. — URL: https://docs.qgis.org/ 3.22/ en/ docs/ user_manual/ index.html. Дата обращения: 13.05.2024.
8. Нежиховский Р. А. Вопросы формирования качества воды реки Невы и Невской губы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 106 с.
9. Неверова-Дзиопак Е., Цветкова Л. И. Мероприятия по рекультивации эвтрофированных водоемов // Вода и экология: проблемы и решения. 2018. № 1 (73) С. 65–70.