Залив Сиваш имеет протяженную береговую линию, вблизи которой расположено множество населенных пунктов, ряд промышленных объектов, пересекают стратегические транспортные коммуникации. Однако берега залива изучены очень слабо - если морфологии посвящены относительно полные описания [3, 1, 4, 7], то информации о динамике береговых процессов практически нет, как нет системных наблюдений. В связи с этим возрастает роль дистанционных методов исследования. В данной статье представлены результаты изучения скорости размыва (абразии) берегов залива Сиваш (на примере центральной части крымского побережья), полученные в результате анализа космических и аэрофотоснимков.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являются абразионные берега Сиваша - мелководного залива-лагуны Азовского моря, отделенного от последнего баром Арабатская стрелка. Ингрессионное происхождение залива (при затоплении слаборасчлененной аккумулятивной равнины) обусловило значительную протяженность береговой линии, которая по разным оценкам составляет порядка 1050 км. Формирование берегов, сложенных податливыми лессовидными суглинками, в условиях изолированной и мелководной (преобладают глубины до 1,5 м) акватории шло при преимущественном воздействии сгонно-нагонной циркуляции. В результате выделилось две разновидности берегов: абразионные (размываемые) и аккумулятивные. Абразионные берега составляют почти 20% от всей протяженности берегов лагуны (без берегов Арабатской стрелки) [6] и приурочены к древним водоразделам, полуостровам («тюпам») и другим возвышенным участкам.
Морфология размываемых берегов достаточно однообразна. Активные клифы представляют собой обрывы высотой от 1-2 до 14 м, крутизной до 80-90°, которые в основании имеют небольшую волноприбойную нишу (высота 0,5-1,0 м, глубина 0,3-0,5 м). По плоскостям вертикальных трещин, постепенно перерастающих во рвы отседания шириной до 0,3-0,5 м, от клифа отчленяются столообразные призмы породы (осовы) длиной до 10 м и шириной 0,3-1,0 м. Подрезанные прибоем осовы через некоторое время падают на пляж или оседают и в дальнейшем размываются. У подножья клифов обычно формируется широкий бенч, надурезовая часть которого имеет ширину от 0,5 до 10-15 м. Наносы на бенче представлены ракушей, детритом, морскими водорослями, очень часто наносы совсем отсутствуют и лишь обвально-осыпные отложения нарушают пустынное однообразие береговой полосы.
Для изучения динамики абразионных берегов, скорость отступания которых не очень велика, исходные материалы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) должны быть крупномасштабными или иметь очень высокое пространственное разрешение. На снимках с высоким и средним разрешением пограничный эффект может значительно исказить данные. Разрешение имеющихся в свободном доступе разновременных многозональных космических снимков (выполненных спутником Landsat и др.) не позволяет использовать их анализа таких берегов, т.к. размеры пикселей соотносимы с элементами береговой зоны, равны и значительно больше величин отступания абразионных берегов за несколько лет. В то же время использование таких снимков для изучения берегов, скорость абразии которых составляет несколько метров в год, дает вполне правдоподобные результаты [5]. Более точные данные могут быть получены при использовании космических снимков очень высокого (0,3-0,9 м) разрешения, которые могут быть получены как за определенную плату, так и размещенных свободно на ресурсах в сети Интернет. Значительные результаты могут быть получены при анализе накопленных архивов крупномасштабных аэрофотоснимков.
Исходя из этого, для изучения абразионных берегов Сиваша было выбрано два способа. При первом способе использовались цифровые космические снимки очень высокого разрешения и аэрофотоснимки крупного масштаба. Космические снимки, выполненные с помощью спутника QuickBird, получены из общедоступного архива данных с помощью программы SASplanet. Они представляют собой мультиспектральные снимки (RGВ-композиты с произвольной комбинацией каналов) с пространственным разрешением 0.61 м/пиксель и географической привязкой в проекции UTM. Используемые для анализа аэрофотоснимки (сканкопии) имеют масштаб 1:25 000, и выполнены в июне-июле 1969 и 1966 гг.
Обработка и анализ материалов производился с помощью программного комплекса АrcGIS 10.0. На предварительном этапе аэрофотоснимки с помощью опорных точек были привязаны к космическим снимкам и трансформированы. При этом одной из проблем явилось отсутствие в условиях однообразного, слабо преобразованного равнинно-степного ландшафта неизменившихся постоянных объектов. Поэтому для анализа было отобрано 12 репрезентативных снимков, которые оказалось возможным совершенно четко привязать по твердо определенным опорным точкам. В результате визуального дешифрирования космических и аэрофотоснимков была выделена береговая линия и определены ее элементы. Положение клифа намечалось «вручную» в виде линейного шейп-файла. В результате получено 23 пары криволинейных отрезков длиной от 0,2 до 1,5 км, характеризующих берега различной ориентации и высоты клифа. Далее от самой ранней береговой линии строился растровый слой расстояния. Узлы линейных шейп-файлов более поздней береговой линии были преобразованы в точеные объекты; различная длина элементарных отрезков и соответственно расстояние между точками обеспечивает случайность выборки. Для полученных расчетных точек были извлечены значения расстояния, а затем в таблице атрибутов были вычислены скорости (рис. 1).
Рис. 1. Изменение береговой линии юго-восточного берега полуострова Тюп-Кангил (м. Безымянный): а - аэрофотоснимок 1969 г., б - космический снимок 2011 г., в - контуры береговой линии 1969 и 2012 гг.; г - скорость размыва берегов для расчетных точек, м/год
На некоторых участках, для которых производился такой анализ, в течение 2-4-х лет ведутся полевые наблюдения за размывом берегов. На каждом участке наблюдения проводились на трех промерных створах, с отсчетом от реперных точек.
Второй способ предусматривал сравнение разновременных мультиспектральных космических снимков, полученных со спутника Landsat 5TM, с высоким пространственным разрешением (28,5 м/пиксель) и пространственной привязкой. Предварительный анализ космических снимков производился с помощью программы ENVI 4.7. Для этого анализировались изображения, полученные в 4 и 5 каналах (инфракрасный диапазон). Снимки выполнены в поздневесенне-летний период (19 мая 1986, 6 июня 1995, 20 июля 2011), когда повторяемость сгонно-нагонных явлений незначительна и конфигурация беговой линии более-менее постоянна. Вначале цифровые изображения подвергались управляемой классификации, в результате которой была четко проведена граница между морем и сушей. Полученные результаты классификации были сохранены в формате шейп-файла. Дальнейшая обработка выполнена с помощью программного комплекса АrcGIS 10.0. по методике, изложенной выше для выделенных ключевых участков.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты оценки скорости размыва берегов, полученные первым способом, а также предварительные данные полевых наблюдений, приведены на рис. 2.
Рис. 2. Скорость размыва берегов залива Сиваш (для ключевых участков)
Анализ полученных данных свидетельствует, что скорость размыва берегов залива Сиваш изменяется в очень широких пределах - от 0,03 до 1,5 м/год для отдельных расчетных точек. Для участков средние скорости размыва изменяются от 0,083 до 0,87 м/год, и отличаются достаточной однородностью - среднее квадратичное отклонение составляет 0,041-0,33, коэффициент вариации - 0,2-0,4. Эти данные вполне сопоставимыми с результатами предварительных (2-3-летние циклы) полевых наблюдений, которые ведутся автором на нескольких ключевых участках. Следует заметить, что эти значения осредненно показывают межгодовую динамику, т.к. разрушение берегов происходит дискретно, в виде единоразового обрушения большой массы породы.
Значения скорости достаточно четко коррелируют с ориентацией участков побережья по странам света: наибольшие скорости характерны для берегов восточной и северо-восточной ориентации, наименьшие - южной и юго-восточной. Это связано с наибольшей повторяемостью и максимальной скоростью ветров соответствующих направлений (рис. 3).
Рис. 3. Распределение скоростей размыва берегов (точки) в зависимости от ориентации береговой линии по странам света
На некоторых участках отмечается большая изменчивость скоростей размыва, что объясняется микрофестончатостью побережья. Так, на юго-восточном побережье полуострова Тюп-Кангил (см. рис. 1), имеющего в общем юго-запад - северо-восточную ориентацию наблюдаются фестоны длиной 50-200 м, глубиной 20-70 м. На участках фестонов, ориентированных на восток, скорость отступания клифов составляет 0,3-0,5 м/год, на участках южной экспозиции - 0,1-0,2 м/год.
Использование космических снимков высокого разрешения, полученных спутником Landsat, для изучения процессов размыва берегов Сиваша, не дало корректных результатов. По всем ключевым участкам значения скорости оказались завышенными в 2-3 раза по сравнению с данными, полученными первым способом и по полевым наблюдениям.
Заключение
Таким образом, анализ космических снимков очень высокого разрешения и крупномасштабных аэрофотоснимков позволил впервые определить скорости абразии (размыва) берегов залива Сиваш. В зависимости от ориентации берега, ширины прилегающей акватории, высоты клифа скорость отступания берегов на отдельных участках изменяется от 0,03 м до 1,5 м/год. Более точные значения могут быть получены только в результате постоянных мониторинговых наблюдений.
Использование космических и аэрофотоснимков позволяет достоверно изучать абразионные процессы. При этом точность получаемых расчетных характеристик напрямую зависит от пространственного разрешения и масштаба используемых материалов ДЗЗ.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-05-90900) на базе ФРЦАиНМОиПР БелГУ.
Рецензенты:
-
Вахрушев Б.А., д.г.н., профессор, декан географического факультета Таврического национального университета имени В.И. Вернадского, г. Симферополь.
-
Позаченюк Е.А., д.геогр.н., профессор, заведующая кафедрой физической географии и океанологии Таврического национального университета имени В.И. Вернадского, г. Симферополь.
Работа поступила в редакцию 06.09.2012.