Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)

Представлены новые комплексные методологические подходы к использованию мультиспектральных спутниковых съемок для определения гидрогеологических параметров и водообмена грунтовых вод при построении гидрогеологических моделей. Экспериментальные результаты были получены в процессе комплексной обработк...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
1. Verfasser:	Сахацький, О.І.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут геологічних наук НАН України 2009
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12467
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж) / О.І. Сахацький // Геологічний журнал. — 2009. — № 3. — С. 79-89. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-12467
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-124672010-10-09T12:02:13Z Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж) Сахацький, О.І. Представлены новые комплексные методологические подходы к использованию мультиспектральных спутниковых съемок для определения гидрогеологических параметров и водообмена грунтовых вод при построении гидрогеологических моделей. Экспериментальные результаты были получены в процессе комплексной обработки спутниковых и наземных данных в пределах тестовых полигонов в бассейне р. Трубеж. The paper presents the new complex approach of using multispectral satellite data for identification of hyhydrogeological parameters and water balans of ground water for hydrogeological models creation. The experimental results have been received on the base of processing of ground and satellite data within the test area in Trubej river basin. 2009 Article Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж) / О.І. Сахацький // Геологічний журнал. — 2009. — № 3. — С. 79-89. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 0367-4290 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12467 528.88:[502:330.15] uk Інститут геологічних наук НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Представлены новые комплексные методологические подходы к использованию мультиспектральных спутниковых съемок для определения гидрогеологических параметров и водообмена грунтовых вод при построении гидрогеологических моделей. Экспериментальные результаты были получены в процессе комплексной обработки спутниковых и наземных данных в пределах тестовых полигонов в бассейне р. Трубеж.
format	Article
author	Сахацький, О.І.
spellingShingle	Сахацький, О.І. Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
author_facet	Сахацький, О.І.
author_sort	Сахацький, О.І.
title	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
title_short	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
title_full	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
title_fullStr	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
title_full_unstemmed	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)
title_sort	використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. трубіж)
publisher	Інститут геологічних наук НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12467
citation_txt	Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж) / О.І. Сахацький // Геологічний журнал. — 2009. — № 3. — С. 79-89. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT sahacʹkijoí vikoristannâmateríalívbagatospektralʹnihsuputnikovihzjomokdlâocínkivodoobmínugruntovihvodnaprikladíbasejnurtrubíž
first_indexed	2025-07-02T14:34:35Z
last_indexed	2025-07-02T14:34:35Z
_version_	1836546130789269504
fulltext	На прикладі басейну р. Трубіж розглядаютьC ся методологічні підходи до використання даних багатоспектральної космічної зйомки для визначення складових водного балансу ґрунтових вод при побудові гідрогеологічних моделей, що включає проведення схематиC зації області досліджень та визначення паC раметрів гідрогеологічних моделей на осC нові комплексної обробки супутникових та наземних даних з залученням комп'ютерних програм вирішення обернених фільтраC ційних задач. Загалом, це дозволяє суттєво підвищити ефективність та надійність виріC шення гідрогеологічних задач. Природні умови району досліджень деC тально описані в монографії І. О. ЗапольсьC кого [4], де розглядався водний баланс у зв'язку з осушенням заплави р. Трубіж та її приток. Незважаючи на досить ґрунтовний аналіз та оцінку складових водного балансу в межах даної території, в роботі [4] все ж таки поза оцінкою, за визнанням автора, заC лишились такі питання, як оцінка ґрунтовоC го потоку, значення його інфільтраційного живлення і відповідно особливості його просторового розподілу. Крім того, хоча на основі експериментальних робіт наведені окремі приклади розподілу сумарного випаC ровування на транспіраційні витрати та виC паровування з поверхні ґрунту, але в межах всього басейну оцінка можливих транспіC раційних витрат та їх просторовий розподіл не проводилися, очевидно, через нестачу даних. Загалом процеси водообміну у поверхоC вих шарах Землі часто є визначальними щоC до багатьох природних явищ — родючості ґрунтів, врожайності сільськогосподарських угідь, стану і продуктивності лісових екосисC тем, газообміну в них, зокрема, вуглецевого балансу, а також стану поверхневих та підземних вод, їх захищеності від забрудC нення, підтоплення територій внаслідок підйому рівня ґрунтових вод або катастC рофічних паводків тощо. Але визначення паC раметрів водообміну в ґрунтових водах, як правило, недостатньо обґрунтоване через брак даних. При ідентифікації параметрів гідрогеоC логічних моделей для оцінки складових воC дообміну та водних ресурсів виконавець майже завжди стикається з нестачею даних і з тим, що вони характеризують власне лише точку опробування. Іншою проблемою є коC ректне узагальнення та визначення інтегC ральних характеристик для розрахунків блоків моделі. Для цього потрібна достатня кількість даних по кожному блоку моделі. При традиційному підході коректно розв'язаC ти це питання майже нереально через значні витрати на початкову інформацію. Значні труднощі виникають при визнаC ченні ділянок та параметрів інтенсивності інфільтраційного живлення підземних вод поверхневими, що необхідно для оцінки реC сурсів підземних вод та локалізації ділянок їх 79ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 УДК 528.88:[502:330.15] О. І. Сахацький ВИКОРИСТАННЯ МАТЕРІАЛІВ БАГАТОСПЕКТРАЛЬНИХ СУПУТНИКОВИХ ЗЙОМОК ДЛЯ ОЦІНКИ ВОДООБМІНУ ГРУНТОВИХ ВОД (НА ПРИКЛАДІ БАСЕЙНУ Р. ТРУБІЖ) (Рекомендовано чл.$кор. НАН України В. І. Ляльком) Представлены новые комплексные методологические подходы к использованию мультиспектральC ных спутниковых съемок для определения гидрогеологических параметров и водообмена грунтовых вод при построении гидрогеологических моделей. Экспериментальные результаты были получены в процессе комплексной обработки спутниковых и наземных данных в пределах тестовых полигонов в бассейне р. Трубеж. The paper presents the new complex approach of using multispectral satellite data for identification of hyhyC drogeological parameters and water balans of ground water for hydrogeological models creation. The experimental results have been received on the base of processing of ground and satellite data within the test area in Trubej river basin. © О. І. Сахацький, 2009 можливого поверхневого забруднення. В деяких випадках всю балансову неузгодC женість між складовими водного балансу (кількістю атмосферних опадів, поверхнеC вим стоком, випаровуванням з поверхні ґрунтів та водоймищ і транспірацією росC лин) необґрунтовано відносять до інфільтC рації поверхневих вод у підземні без поC дальшої перевірки розрахунками на основі створення відповідних фільтраційних модеC лей. Специфічною проблемою є неC обхідність враховувати процеси та параметC ри евапотранспірації при визначенні водоC обміну в системі підземні води — ґрунт — рослини — атмосфера. За попередніми оцінками витрати води рослинами на транспірацію порівнюються з річковим стоC ком. Хоча певні автори і відмічають це [11, 15] і є намагання їх враховувати, але загаC лом в практиці гідрогеологічних та гідроC логічних розрахунків цьому приділяється неC достатня увага. Одна з можливих причин цьC ого — труднощі з визначенням параметрів цього процесу, що потребує актуальних різнобічних просторовоCрозподільних даних про стан ґрунтового та рослинного земного покриття. В той же час відомо, що максиC мальна глибина коренів як у деревинних порід, так і трав'янистих нерідко перевищує 2—2,5 м і може легко досягати рівня ґрунтоC вих вод, особливо в зонах неглибокого заляC гання рівня підземних вод. Деревинні пороC ди можуть мати і значно більшу глибину проC никнення кореневої системи. Особливо для листяних порід глибина проникнення понад 5 м є нормальним явищем; таким чином, враховуючи капілярну зону, "водовідбір" внаслідок кореневого всмоктування та транспірації деревинними породами може торкатися ґрунтових вод, що знаходяться на глибинах близько 10 м. При побудові гідроC геологічних моделей це необхідно враховуC вати. Фактично корені рослин, які можуть легко досягати рівня ґрунтових вод, з точки зору вирішення задач гідрогеології, являють собою природні пристрої водовідбору. Але цей фактор "відкачування води" з горизонту ґрунтових вод у моделюванні гідрогеоC логічних процесів здебільшого не врахоC вується без будьCякої оцінки його впливу. Наявність багатоспектральних супутниC кових даних, які є одним із сучасних видів космічного знімання, кардинально змінює ситуацію на краще при вирішенні перелічеC них проблем. До багатоспектральних космічних зображень відноситься сукупність зображень, на кожному з яких відбита одна й та сама сцена і які зроблені одномоментно (синхронно у часі), але одержані в різних частинах (зонах) електромагнітного спектра випромінювання [16]. В наш час суттєво збільшується просторова, спектральна та часова розрізнювальна здатність багатосC пектральної космічної зйомки, а також чутC ливість її сенсорів. Застосування багатоспеC ктральної космічної зйомки для вирішення тематичних задач та моніторингу навкоC лишнього середовища знаходить дедалі ширше застосування через визнані переваC ги аерокосмічного знімання — оглядовість (покриття значних територій), оперативність та порівняно економічну ефективність. Але отримання якісних результатів на основі обC робки багатоспектральних аерокосмічних даних для вирішення тематичних задач, зокC рема вказаних в даній статті, потребує суттєвого методичного доопрацювання способів сумісної обробки супутникової та наземної інформації. Важливими перевагами багатоспектC ральної космічної зйомки, що можуть ефекC тивно використовуватись для вирішення зазначених задач, є, поCперше, можливість проводити класифікацію земного покриття, яке дозволяє для виділених класів земного покриття виконати наближену оцінку харакC теру та інтенсивності процесів водообміну та надати у першому наближенні простороC вий розподіл можливих усереднених знаC чень параметрів моделей водообміну, а поC друге, багатоспектральна зйомка дозволяє вираховувати різні показники та індекси, зокрема так звані водні індекси, які визначаC ються на основі спектрального відбиття в певних каналах зйомки, включаючи інфраC червоні діапазони електромагнітних хвиль, чутливі до зволоженості земного покриття [18, 19]. Отже, оцінка водообміну та параметрів гідрогеологічних моделей верхньої гідродиC намічної зони з використанням багатоспектC ральних супутникових даних може включати такі основні підходи. ПоCперше, використоC вується класифікація земного покриття на основі космічних знімків та наземних даних і для виділених класів земного покриття визC 80 ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 начаються характерні гідрогеологічні процеC си та усереднені значення параметрів їх моC делей. ПоCдруге, може проводитись кореC ляція даних космічної зйомки з наземними матеріалами для оцінки параметрів безпоC середньо за дистанційними даними. Третій підхід може ґрунтуватись на комбінації перC ших двох і в ряді випадків є найбільш ефекC тивним, коли регресійні залежності знахоC дять лише для певного класу земного покC риття, що виділяється в результаті класифікації космічних зображень. І, наC решті, четвертий підхід полягає в параметC ризації моделей природного середовища та визначення балансово взаємно узгоджених параметрів створених гідрогеологічних моC делей з врахуванням даних космічної зйомC ки [13, 14] . Запропоновані підходи до використання багатоспектральної космічної зйомки суттєво доповнюють традиційне ландшафтC ноCіндикаційне та структурне дешифруванC ня матеріалів ДЗЗ і можуть у комплексі викоC ристовуватись з ним. Структурне дешифруC вання матеріалів ДЗЗ у поєднанні з аналізом геологоCгеофізичних матеріалів дозволяє: уточнити тектонічні умови, блокові структуC ри району досліджень, що має важливе знаC чення для виділення однорідних ділянок гідрогеологічної моделі; виділити активні на сучасному етапі розвитку кільцеві структуC ри, які впливають на положення ерозійної мережі, що, в свою чергу, визначає розподіл потоків поверхневих та підземних вод; побуC дувати карти лінійних структур (лінеаC ментів), які просторово пов'язані з розломаC ми. Кількісний аналіз поля лінеаментів дозC воляє деталізувати положення зон розломів і вузлів їх перетину та у поєднанні з розраC хунковими методиками оцінити фільтC раційну проникність порід, особливо у вертикальному напрямку. Застосування ж запропонованих підходів на основі викоC ристання багатоспектральних космічних зображень дозволяє фактично оцінити наC повненість гідрогеологічних структур волоC гою з подальшим наближеним розрахунком складових водного балансу та гідрогеоC логічних параметрів для визначення водних ресурсів території. Використання водних індексів розглянуC то в статті [14]. На прикладі тестової ділянка поблизу с. Єрківці ПереяславCХмельницькоC го району Київської області, що знаходиться в південній частині басейну р. Трубіж, на осC нові комплексної обробки наземних даних та багатоспектральної космічної інформації з супутника SPOTC5 (01.11.2005 р.) була поC казана ефективність використання запропоC нованого водного індексу NWI (normalized water index) з метою встановлення ділянок з підвищеною вологістю в місцях мікрозапаC динних форм рельєфу, що, як доведено гідрогеологічними дослідженнями [3], моC жуть відповідати локальним ділянкам живC лення ґрунтових вод. Індекс NWI, який у роC боті [19] рекомендується використовувати для відокремлення снігового покриву і тому має назву NDSI (normalized difference snow index), вираховується за даними багатоспеC ктральної зйомки в зеленій (GR) та середній інфрачервоній смугах (SWIR) спектра, але, як показав наш досвід, цей індекс дозволяє також ефективно виконувати оцінку вмісту вологи як у рослинному покриві, так і у верхньому шарі відкритого ґрунту [13, 14]: де 560, 1650 — спектральний діапазон, нм. Докладніше розглянемо можливості засC тосування результатів класифікації багатосC пектральних космічних зображень для гідроC геологічної схематизації та оцінки складових водообміну. Ці можливості грунтуються на підходах, які використовуються у ботанічних методах визначення водообміну на основі фітоіндикації [5]. В результаті проведення класифікації багатоспектральних космічних зображень, методика якої розглядається, зокрема, в роботах [2, 7], з певною точністю виділяються різні класи земного покриття. Причому досить успішно можуть виділятись класи, що відповідають рослинному покриву різного типу. Вдало виділяють різні лісові рослинні угруповання, трав'янисту росC линність, агрофітоценози. Відомо, що в меC жах названих типів рослинного покриву воC дообмін має специфічні риси та певні межі змін своїх кількісних характеристик. ЗокреC ма, це стосується такої важливої складової водообміну, як транспіраційні витрати росC лин, що часто складають основну частину евапотранспірації. З точки зору поставленої задачі це відкриває широкі перспективи для більшої деталізації при оцінці складових воC 81ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 , дообміну в межах певних територій. Але в даному випадку в якості індикатора можуть виступати не окремі види рослин, а їх екоC логічні групи, для яких проведено фундаменC тальні дослідження за характером та параC метрами водообміну [5, 6, 9, 12, 17]. Таким чином, класифіковане космічне зображення на основі використання накопичених теореC тикоCекспериментальних баз знань дозвоC ляє виконати обґрунтовану трансформацію класифікованих даних в інші карти для оцінки параметрів природних процесів, зокрема процесів водообміну. Більш того, отримані карти можуть слугувати для пошуку прямих кореляційних зв'язків між даними космічної зйомки в певних каналах та параметрами воC дообміну. Такий підхід дозволяє також уникC нути принципових помилок, накладаючи певні обмеження на кореляційні залежності між супутниковими та наземними даними, отриманими в конкретних умовах. Як приклад розглянемо басейн р. Трубіж. Кліматичні, геоморфологічні, гідрологічні та геологоCгідрогеологічні особливості териC торії та меліоративні заходи, що були провеC дені в його межах, детально описані в роботі [4]. Використовуючи матеріали роботи [4], коротко наведемо природні умови териC торії, які впливають на водний баланс ґрунC тових вод у даному районі. На півночі басейн р. Трубіж, який розтаC шований в північноCзахідній частині ПридніC провської низовини в межах Київської, Чернігівської та Черкаської областей, обмеC жений вододілом з басейном р. Остер. На заході та південному заході — вододілом баC сейну групи боліт, що витягнуті вздовж пойC ми р. Десна та далі за течією р. Дніпро; на сході — вододілом з басейном р.Супій; на півдні — заплавою р. Дніпро; Північна частиC на басейну знаходиться в Чернігівському Поліссі, а середня та нижня частини — у ПівнічноCДніпровській терасовоCрівнинній лісостеповій зоні. За даними роботи [4], залісеність території становить близько 8% і майже 13% зайнято болотами. В цілому поверхня являє собою рівнину з рідкісними улоговинами та невисокими підвищеннями. Значна частина території зайнята блюдцеподібними мікрозападинаC ми рельєфу. В формуванні ландшафтів значC ну роль відіграють різновікові тераси р. Дніпро, які обумовлюють диференціацію рельєфу за абсолютними позначками. Вся територія знаходиться в межах першої, друC гої, третьої та четвертої терас р. Дніпро, а також власних терас р. Трубіж та її приток (річок Недра, Карань, Альта та ін.). Більша частина території басейну знаходиться в межах другої тераси р. Дніпро, південноC східна частина — в межах першої тераси, а північноCсхідна та північна — в межах третьої та четвертої терас. Заплава р. Трубіж має ширину від декількох десятків до сотень метрів, іноді до 1—2 км. В нижній частині складена піщаними ґрунтами. А вище за течією була заболочена. В наш час болотні масиви в заплаві р. Трубіж внаслідок меліорації перетворені на високопродукC тивні угіддя. Основні ґрунти в заплаві предсC тавлені торф'яниками, потужність яких доC сягає 7 м. Перша надзаплавна тераса р. Дніпро з абсолютними позначками 100— 115 м складена верхньочетвертинними різнозернистими пісками, що залягають на нижньоC та середньочетвертинних алювіаC льних відкладах праCДніпра. На поверхні теC раси часто трапляються піщані гряди, дюни, котловини видування, заболочені западини. Ширина тераси становить близько 7—8 км і простягається смугою від с. Проців до м. ПереяславCХмельницький. Перша тераса відділена від високих другої та третьої терас западиною з долиною р. Карань. Абсолютні позначки слабодренованих рівнин на другій терасі сягають 120—130 м. Ґрунти в межах другої тераси в основному сірі лісові, іноді малогумусні чорноземи. Тут розповсюджені мікрозападини діаметром 20—30 м та глиC биною 1,0—1,5 м. Більш високий ландшафтний рівень зайC мають лесові рівнини третьої та четвертої терас р. Дніпро, в північноCсхідній частині території з абсолютними позначками 130— 140 м. Ґрунтовий покрив представлений поC тужними малогумусними чорноземами. ЗаC падини в рельєфі в цій частині басейну р. Трубіж мають діаметр до 150—200 м, а їх глибина може становити 8—10 м. Загальна рівнинність території басейну, численні замкнуті западини у рельєфі, слабC ка дренованість та наявність в геологічному розрізі потужної товщі піщаних та супіщаних порід сприяють високому заляганню рівня ґрунтових вод, розвитку процесів заболочуC вання та розвитку боліт та торф'яників. 82 ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 З точки зору гідрогеологічних умов баC сейн р. Трубіж відноситься до Дніпровського артезіанського басейну. Водоносні горизонC ти встановлені у відкладах сеноманського ярусу, бучацької, київської та харківських світ, а також четвертинної системи [1, 4, 10]. Детальніше розглянемо ґрунтові води четвертинних відкладів, що є предметом обC говорення. Вони розповсюджені на всій теC риторії. Всі четвертинні водоносні відклади складають єдиний водоносний горизонт, поC тужність якого змінюється від 20 до 55 м. У нижній частині водовмісних порід знаC ходяться крупнозернисті піски з галькою кристалічних порід, у середній частині заляC гають середньоC та дрібнозернисті піски з численними прошарками мулистих глин та суглинків. У верхній частині другої, третьої та четвертної терас водоносними є леси та лесоподібні суглинки, а в межах заплави р. Трубіж та її приток ґрунтові води залягаC ють у торфових відкладах та пісках з проC шарками суглинків. Тільки на підвищеннях в еоловоCделювіальних суглинках в деяких місцях зустрічається так звана верховодка, для якої характерним є неглибоке залягання (2—2,5 м) та незначна товща водовмісних порід (до 0,5 м). Живлення ґрунтових вод відбувається переважно за рахунок атмосC ферних опадів. Максимальні позначки рівня ґрунтових вод збігаються з підвищеними в рельєфі на північному заході басейну р. Трубіж та на його східній границі — на лівобережжі р.Трубіж. В районі таких підвиC щень формуються куполи розтікання підземних вод і частина потоку йде в напC рямку р. Трубіж та її приток. Глибина заляC гання ґрунтових вод зменшується від 5— 10 м на вододілах до декількох десятків санC тиметрів у заплавах річок та заболочених місцях. Таким чином, у межах басейну р. Трубіж ґрунтові води надходять з двох боків до р. Трубіж — на правобережжі з заходу на схід, а на лівобережжі зі сходу на захід. Ці поC токи розвантажуються в заплаву та р. Трубіж. До прокладання меліоративних каC налів це викликало заболочування території. Розглянемо, як класифікація земного покриття за космічними знімками в межах басейну р. Трубіж використовувалась для схематизації гідрогеологічних умов та для оцінки транспіраційних витрат. Важливість цих питань з точки зору вирішення гідрогеоC логічних задач пояснювалась вище, особлиC во щодо транспіраційних витрат. Для класифікації земного покриву териC торії в межах басейну р. Трубіж використовуC вались мозаїчні знімки Landsat TM за літній період 1990 р., що охоплюють всю територію басейну р. Трубіж. Мозаїчні знімки Landsat TM створені на основі 2, 4 та 7 каналів станC дартної зйомки, що відповідають таким спектральним діапазонам: 2 — зелений (525—605 нм), 4 — ближній інфрачервоний (750—900 нм), 7 — другий діапазон сеC редньої інфрачервоної зони (2090—2350 нм). В результаті проведення класифікації багатоспектрального космічного зображенC ня за методикою, викладеною в роботах [2, 7], з певною точністю були виділені різні клаC си земного покриття, що відповідають росC линному покриву різного типу. При викорисC танні запропонованої методики класифікації вдало виділяються різні лісові рослинні угC руповання, трав'яниста рослинність, агроC фітоценози, водна поверхня, техногенні об'єкти. Виділення вказаних класів проведено не випадково, а з урахуванням геоботанічних підходів, що розглядалися вище. При побуC дові карт транспіраційних витрат на основі виконаної класифікації космічного знімка використовувались методичні підходи, розC роблені І. Н. Бейдеманом, З. Г. Беспаловою та А. Т. Рахманіною, а також Л. Н. КасьяноC вою, викладені в роботі [5], коли карти транспіраційних витрат будуються на основі геоботанічної карти. В нашому випадку геоC ботанічна карта отримується на підставі клаC сифікації космічного знімка і підхід, що проC понується у такій спосіб, включає всі переC ваги використання космічної інформації — оглядовість, оперативність та можливість значної деталізації. Проведена класифікація дозволила отC римати просторовий розподіл різних класів земного покриття та визначити їх площу в межах басейну р. Трубіж. З допомогою клаC сифікованого знімка побудована карта транспіраційних витрат (рис. 1). В основу карти покладено дані про витрати води на транспірацію домінуючими рослинними угC рупованнями [5, 6, 9, 12, 17]. Попри значні відхилення в значеннях транспіраційних витC рат та сумарного випаровування, намічаютьC 83ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 ся інтервали, що характерні для певних типів рослинного покриву (див. таблицю). Усвідомлюючи значну схематичність та дисC кусійність поділу на такі інтервали, автор вважає такий поділ все ж таки корисним для наближеної оцінки транспіраційних витрат. Всього на карті було виділено сім контурів, які припадають на інтервал від 0 до 350 мм/рік. Градація з витратами до 40 мм/рік охоплює різні угруповання, що продукують найбільш низьку біомасу, адже між транспіраційними витратами та продукC тивністю рослинних угруповань встановлено тісний взаємозв'язок [5, 9, 12, 17]. В цю граC 84 ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 Рис. 1. Карта транспіраційних витрат за вегетаційний цикл в межах басейну р. Трубіж, що складена на основі класифікації багатоспектрального мозаїчного знімка Landsat ТМ за літній період 1990 р. дацію віднесені ділянки з розрідженою росC линністю в межах промислових зон, техноC генних об'єктів, піщаних гряд тощо. В граC дацію 40—80 мм/рік входять більш продукC тивні рослинні угруповання в основному в межах населених пунктів. Наступна градація охоплює контур з витратами води на транспірацію 80—160 мм/рік. До цього конC туру потрапляють поля з сільськогоспоC дарськими угіддями, а також луки та чагарC ники на вододілах. Класифікація багатоспеC ктральних космічних знімків дозволяє виділяти поля з різними сільськогосподарсьC кими угіддями з різним ступенем потреб у водозабезпеченні та транспіраційними витC ратами, але прийнята градація у середньому охоплює цей діапазон і тому прийнята для наближеної оцінки. Транспірація рослинC ністю в межах заболочених територій має градацію 120—170 мм/рік. До контуру з витC ратами води на транспірацію 150—180 мм/рік потрапляє лугова та чагарникова рослинність вздовж берегів озер та заплав річок, а також високопродуктивні сільськоC господарські поля та луки в основному в меC жах осушених боліт заплави р. Трубіж та її приток. Контур 180—280 мм/рік відповідає сосновим лісам на вододілах. В межах контуC ру 250—350 мм/рік розташовані змішані ліси та листяні ліси на вододілах, а також сади й окремі групи листяних дерев (див. таблицю). Проведені дослідження показали, що знаC чення транспіраційних витрат для даної териC торії є суттєвою складовою водного балансу. За результатами розрахунків на основі клаC сифікації космічного зображення річні витраC ти на транспірацію в межах басейну р. Трубіж становлять приблизно 593 млн м3/рік, або у середньому для всієї площі 143 мм/рік. Це сягає близько 30% від атмосферних опадів, враховуючи, що середня кількість атмосферC них опадів за період 1945—1988 рр. для баC сейну р. Трубіж, за даними пунктів спостереC жень "Бориспіль", "Березань", "Кривицьке", 85ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 Оцінка сумарних транспіраційних витрат у межах басейну р. Трубіж на основі класифікованого мозаїчного космічного знімка Landsat TM (літній період 1990 р.) (див. рис. 1) "Гоголів" та 10 постам метеостанції "БаC ришівка", становить 494 мм/рік [4]. Звичайно, що більша частина транспіраційних витрат припадає на рослинність в межах сільськоC господарських угідь, які разом займають поC над 60% території. Щодо багаторічного стоку річок з 1 км2 то, за даними роботи [4], для цієї території він становить близько 1,0—1,3 л/с/км2, або приблизно 30—40 мм/рік. Тобто транспіраC ційні витрати виявились в декілька разів більшими. Нарешті, порівняймо наведені вище дані про складові водного балансу з розрахункаC ми значень інфільтраційного живлення підземних вод для типових ділянок у межах даної території. Це було виконано нами шляхом розв'язання обернених фільтC раційних задач методом взаємокорегування гідрогеологічних параметрів за стрічками току гідродинамічної сітки [8]. ГідродиC намічна сітка для четвертинного водоносноC го горизонту була побудована на основі карт рівнів ґрунтових вод, наведених у роботі [4] (рис. 2, А, Б). До речі, як відмічається в цій роботі, рівні ґрунтових вод після осушення на основній території басейну р. Трубіж на відстані декількох сот метрів від заплав річок практично не змінились. Метод взаємокоC регування гідрогеологічних параметрів за стрічками току дозволяє створювати досить детальні схеми водопровідності та балансоC вої складової інфільтраційного живлення підземних вод, що дає змогу встановити зоC ни підвищеної водопроникності порід та даC вати оцінку інфільтраційному живленню та розвантаженню підземних вод. Але він потC ребує багато апріорних даних для кожної комірки стрічки току, а саме: H — напір на контурі живлення комірки; B — ширина на контурі живлення комірки; S — довжина шляху фільтрації по комірці; Тар — апріорне значення водопровідності; Wар — апріорне значення балансової складової інфільтрації підземних вод; Wmin — мінімальна межа для Wар; Wmax — максимальна межа для Wар. Саме дистанційні матеріали дозволили більш обґрунтовано надати ці початкові дані, що значно підвищило якість розрахунків. Зокрема, космічні знімки та їх класифіковані зображення використовувались для точного оконтурення зон розвантаження підземних вод, які в основному збігаються з ділянками заболочених територій та осушеними частиC нами заплави р. Трубіж, для виділення зон можливого інфільтраційного живлення підC земних вод, особливо в місцях розвитку мікрозападинних форм рельефу, і, крім того, для побудови гідродинамічної сітки, для уточнення напрямків ліній току (рис. 2, Б). Для визначення апріорних значень водопC ровідності для комірок сітки фільтрації викоC ристовувались дані роботи [4] про значення коефіцієнта фільтрації та потужностей водоC носного горизонту в четвертинних відклаC дах, а також результати лінеаментного аналізу (карти щільності лініментів) для даC ної території. Це було виконано А. А. ХодоC ровським та О. А. Апостоловим за знімками Landsat. Результати розрахунків за методом взаємокорегування основних геофільтраC ційних параметрів за стрічками току гідроC динамічної сітки показали, що водопC ровідність водоносного горизонту в четверC тинних відкладах у середньому становить 100—150 м2/добу (рис. 2, В), а параметр баC лансової складової iнфiльтрацiйного живC лення максимальний на вододілах, де переC важно знаходиться в межах (0,5—1,5) · 10–4 м/добу (близько 20—55 мм/рік) (рис. 2, Г). В середньому для більшості ділянок з інC фільтраційним живленням балансова склаC дова його для четвертинного водоносного горизонту не перевищує (0,5—1,0) · 10–4 м/добу, або приблизно 20—40 мм/рік (рис. 2, Г). Відомо, що в межах мікрозапаC дин, де формується інфільтраційне живленC ня підземних вод, ці значення можуть бути на порядок більшими — до 1000 мм/рік, а іноді і вище [3], але усереднені значення інфільтраційного живлення для розрахункоC вих комірок сітки фільтрації і відповідно для блоків фільтраційної гідрогеологічної моделі значно нижчі. Крім того, враховуючи отриC мані результати, можна також стверджуваC ти, що значна частина інфільтраційного живлення, особливо в межах мікрозападин, які широко розповсюджені на даній териC торії, надходить до водоносних горизонтів у палеогенових відкладах бучацької, канівської та київської світ і до нижчезалягаC ючих горизонтів, але кількісне визначення потребує додаткових досліджень. Розрахунки за стрічками току також поC казали, що основне розвантаження підземC 86 ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 них вод у четвертинних відкладах йде в запC лаву р. Трубіж та її приток і частково — в лоC кальні заболочені западини, де розвантаC ження відбувається внаслідок випаровуванC ня з поверхні Землі на ділянках неглибокого залягання підземних вод або у річкову мереC жу. Балансова складова інфільтрації тут від'ємна і становить близько (—0.1� —0.8) � � 10–4 м/добу (рис. 2, Г). Необхідно зазначити, що параметр баC лансової складової iнфiльтрацiйного живC лення підземних вод враховує різницю між надходженням та розвантаженням підземC них вод у розрахунковій комірці стрічки току. Тому в місцях неглибокого залягання підземних вод, де коренева система рослин досягає рівня ґрунтових вод, часткове розC вантаження підземних вод відбувається 87ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 Рис. 2. Результати визначення основних гідрогеологічних параметрів у межах басейну р. Трубіж А. Карта рівнів ґрунтових вод у четвертинних відкладах у басейні р. Трубіж (до осушення) [4]. Чорний прямокутник показує ділянку детальних досліджень з взаємокорегування гідрогеологічних параметрів. Б. Гідродинамічна сітка водоносного горизонту у четвертинних відкладах суміщена з фрагментом класифікованого мозаїчного знімка Landsat TM у межах ділянки детальних досліджень. В. Схема значень водопровiдностi водоносного горизонту в четвертинних відкладах. Г. Схема значень балансової складової iнфiльтрацiйного живлення (розвантаження) водоносного горизонту в четвертинних відкладах внаслідок кореневого всмоктування та поC дальшої транспірації. Крім того, в межах сільських населених пунктів йде водовідбір ґрунтових вод через колодязі. В таких виC падках реальне надходження інфільтC раційних вод на рівень водоносного гориC зонту більше, ніж балансова складова інфільтраційного живлення. Таким чином, на прикладі басейну р. Трубіж показано, що запропонований підхід, який передбачає сумісну обробку даC них багатоспектральної космічної зйомки та наземних спостережень і розрахункових меC тодів, дозволяє ефективно проводити оцінку складових водного балансу та гідроC геологічних параметрів у ґрунтових водах з просторовим їх розподілом. Загалом, це надає набагато детальнішу основу для гідрогеологічної схематизації та побудови гідрогеологічних моделей. Виконані дослідження показали, що знаC чення транспіраційних витрат рослинними угрупованнями для даної території є суттєвою складовою водного балансу. За результатами розрахунків на основі клаC сифікації космічного зображення річні витC рати на транспірацію становлять у середньC ому 143 мм/рік, що набагато перевищує моC дуль поверхневого стоку. На транспіраційні витрати у середньому припадає приблизно третина загального випаровування з поC верхні Землі, але в межах території лісів — більша частина загального випаровування. Розрахунки за стрічками току гідродиC намічних сіток, виконані з врахуванням суC путникових даних, показали, що в середньоC му для більшості ділянок водопровідність водоносного горизонту в четвертинних відкладах у середньому становить 100—150 м2/добу, а балансова складова інфільтC раційного живленням при такій водопC ровідності та конфігурації сітки фільтрації для четвертинного водоносного горизонту не перевищує (0,5—1,0) · 10–4 м/добу, або приблизно 20–40 мм/рік. Розвантаження ґрунтових вод повністю забезпечується суC марним випаровуванням в заплавах р. Трубіж та її приток і на заболочених ділянC ках, а також частково поверхневим стоком. Враховуючи отримані результати, можна стверджувати, що значна частина інфільтC раційного живлення, особливо в межах мікрозападин, які дуже розповсюджені на даній території, надходить до водоносних горизонтів у палеогенових відкладах буC чацької, канівської та київської світ і до нижC чезалягаючих горизонтів. 1. Бабинец А. Е., Боревский Б. В., Шестопалов В. М. и др. Формирование эксплуатационных реC сурсов подземных вод платформенных струкC тур Украины. — Киев: Наук. думка, 1979. — 214 с. 2. Багатоспектральні методи дистанційного зондування Землі в задачах природокористуC вання / За ред. В.І. Лялька, М.О. Попова. — Киев: Наук. думка, 2006. — 357 с. 3. Бублясь В. М., Шестопалов В. М. Аномальные зоны и их роль в перераспределении радиоC нуклидов из поверхности почв в подземные воды // Водообмен в гидрогеологических структурах и Чернобыльская катастрофа. Ч. 1. Распространение чернобыльских радиC онуклидов в гидрогеологических структурах. — Киев, 2001. — С. 251—356. 4. Запольский И. А. Влияние мелиорации на водний баланс Украинского Полесья (на приC мере бассейна р.Трубеж). — Киев: Наук. думC ка, 1991. — 166 с. 5. Касьянова Л. Н. Экология растений ПрибайC калья. Водный обмен. — М.: Наука, 2004. — 288 с. 6. Константинов А. Р. Испарение в природе. — Л.: Гидрометеоиздат, 1968. — 531 с. 7. Лялько В. И., Сахацкий А. И., Ходоровский А. Я. и др. Комплексирование многозональных космических снимков различного пространC ственного разрешения для повышения эфC фективности исследований лесных массивов (на примере зоны отчуждения ЧАЭС и райоC нов Сибири) // Косм. наука і технологія. — 2002. — Т. 8, № 2/3. — С. 239—246. 8. Лялько В. И., Сахацкий А. И., Шнейдерман Г. А. Методика взаимокорректировки геофильтрациC онных параметров с применением ЭВМ. — Киев, 1986. — 34 c.— (Препр. / ИГН АН УССР; 86C2). 9. Молчанов А. А. Влияние леса на окружающую среду. — М.: Наука, 1973. — 359 c. 10. Огняник Н. С. Постоянно действующие матеC матические модели гидрогеологических проC цессов. — Киев: Наук. думка, 1983. — 168 с. 11. Пашковский И. С. Математическое моделиC рование подземного и поверхностного стоC ков с водосбора // Водообмен в гидрогеолоC гических структурах Украины. Методы изучеC ния водообмена. — Киев: Наук. думка, 1988. — С. 89—103. 88 ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3 12. Раунер Ю. Л. О гидрометеорологической роC ли леса // Изв АН СССР. Сер. геогр. — 1965. — № 4. — С. 40—53. 13. Сахацький О. І. Застосування супутникових даних для вирішення задач водообміну у геоC системах // Доп. НАН України. — 2006. — № 4. — С. 118—126. 14. Сахацький О. І. Підвищення ефективності гідрогеологічних прогнозів з використанням водних індексів мультиспектральних супутниC кових зйомок // Геол. журн. — 2007. — № 4. — С. 42—47. 15. Ситников А. Б. Динамика влаги в почвогрунC тах зоны аэрации. — Киев: Наук. думка, 1986. — 152 с. 16. Словник з дистанційного зондування Землі / За ред. В. І. Лялька та М. О. Попова — Киев: СМП "АВЕРС", 2004. — 170 c. 17. Федоров С. Ф. Исследование элементов водC ного баланса в лесной зоне Европейской территории СССР. — Л., Гидрометеоиздат, 1977. — 248 с. 18. Gao B. C. NDWI — a normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space // Remote Sensing of Environment. —1996. — Vol. 58. — P. 257—266. 19. Griffin M. K., Hsu S. M., Burke H. K. et al. Examples of EOC1 Hyperion Data Analysis // Lincoln Laboratory Jurnal. — 2005. — Vol. 15. — P. 271—296. Наук. центр аерокосм. Стаття надійшла досліджень Землі ІГН НАН України, 17.06.09 Київ ECmail: sakhatsky@casre.kiev.ua 89ISSN 0367–4290. Геол. журн. 2009. № 3

Використання матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок для оцінки водообміну грунтових вод (на прикладі басейну р. Трубіж)

Institution

Ähnliche Einträge