Основная проблема

Вода действительно является одной из основных движущих сил нашей природы. Это основная потребность человека, а также животных и растений. Глобальная потребность в воде со временем усиливается из-за быстрого увеличения мирового населения, улучшающегося уровня жизни, индустриализации и орошаемого земледелия. Естественный водный баланс был утрачен, особенно при текущем сценарии изменения климата, когда изменение режима выпадения осадков вызывает либо дефицит, либо наводнения. Итак, в настоящее время управление ресурсами пресной воды более важно, чем когда-либо ранее. Поскольку более 73% посевных площадей сельскохозяйственных культур Казахстана расположена преимущественно в холодной полузасушливой природной зоне по классификации Кеппена-Гейгера, сельское хозяйство в данной территории остается в более уязвимом положении к климатическим изменениям, а именно засухе.

Сбор поверхностного стока — это историческая система подачи воды, используемая во времена нехватки воды для удовлетворения постоянно растущего спроса на воду, решения проблемы изменения климата и предотвращения опустынивания. Однако изучение снеготаяния и сбора паводковых вод в степных районах с холодным и полузасушливым климатом в зарубежной литературе изучено недостаточно. Мы считаем, что подход, сочетающий дистанционное зондирование земли (ДЗЗ) и географические информационные системы (ГИС) на основе процесса аналитической иерархии, представляет собой экономичный и надежный инструмент для оценки потенциальных зон для резервирования талых и паводковых вод в Аккайынском районе, Северо- Казахстанской области.

Используемые данные и методы

Исследование было основано на шести взвешенных тематических слоях: гидрогеология, уклон, плотность дренажа, землепользование, почва и водный эквивалент снега, которые в основном влияют на доступность, сток, инфильтрацию и накопление талых и паводковых вод. Гидрогеологические карты масштаба 1:200 000, составленные Казахским гидрологическим управлением, были оцифрованы и использованы в качестве исходных параметров. Уклон и плотность дренажа были нанесены на карту с использованием цифровой модели рельефа, а карта землепользования была создана с использованием спутниковых снимков высокого разрешения (10 м) (Sentinel-1 и Sentinel- 2). Для подготовки почвенной карты изучаемой территории использовалась база данных ФАО-ЮНЕСКО «Почвенная карта мира». Данные полевой снегосъемки и изображения Sentinel-2 MSI с датами, ближайшими к съемке, были использованы для подготовки наиболее важного параметра, водный эквивалент снега. Спутниковые изображения были загружены и обработаны в мульти-петабайтном каталоге Google Earth Engine (GEE).

Потенциальные зоны для резервирования талых и паводковых вод были определены путем наложения всех тематических слоев методом взвешенной линейной комбинации с использованием инструмента пространственного анализа в программном обеспечении ArcGIS Pro 2.8. Относительные веса тематических слоев и подгрупп определялись с использованием метода аналитической иерархии. Концептуальная модель предлагаемой структуры показана на рисунке 1. Веса были установлены с учетом мнения группы экспертов, в которую входили один промышленный и два академических эксперта. Кроме того, для выявления непригодных зон использован векторный слой сельскохозяйственных угодий Аккайынского района с буферной зоной 1 км для выявления продуктивных зон для резервирования талых и паводковых вод. Сбор и резервирование талых вод на расстоянии более 1 километра от сельскохозяйственных угодий мы посчитали неэффективным.

Рисунок 1. Концептуальная основа исследования

Кроме того, было проведено технико-экономическое обоснование возможности резервирования талых и паводковых вод в Аккайынском районе. При определении потенциальных площадей резервирования талых и паводковых вод для сельскохозяйственного использования необходимо учитывать ряд технических, экономических и экологических факторов. С технической точки зрения нецелесообразно резервировать талые воды в отдаленных местах и протягивать километры труб к сельскохозяйственным полям. С экономической точки зрения сельскохозяйственным предприятиям необходимо было бы приобретать большое количество необходимых товаров, таких как трубы, и обслуживать их, что требует огромных финансовых и трудовых ресурсов. С экологической точки зрения нами исключены участки с повышенным содержанием в воде вредных металлов (металлоидов), таких как марганец и мышьяк, что недопустимо для сельскохозяйственного использования. С этой целью в ключевых точках были отобраны шесть проб талой воды для проведения химического анализа воды в мае 2022 года. Подробные результаты химического анализа талой воды приведены в протоколе испытаний (Рисунок 2). Например, было зафиксировано превышение предельно допустимой нормы мышьяка в три раза (норма 0,05 мг/дм 3 , а фактическая 0,16 мг/дм 3 ).

Рисунок 2. Результаты химического анализа талых воды в Аккайынском районе Северо-Казахстанской области.

Важнейшим параметром в данном исследовании был водный эквивалент снега, так как он интегрально характеризует глубину и плотность снежного покрова, который теоретически планируется резервировать. Также этот параметр полностью характеризует запасы снега в конкретной местности и может уточнить водный режим рек и озер. С использованием ранее разработанной и апробированной авторами методики оценки высоты снежного покрова и водного эквивалента снега с использованием данных дистанционного зондирования и ГИС- технологий была подготовлена карта высокого разрешения (10 м) водного эквивалента снега исследуемой территории. Основные подходы и методы расчета водного эквивалента снега показаны на рисунке 3. Все расчеты проводились на облачной платформе Google Earth Engine, исходные коды доступны по следующей ссылке.

Рисунок 3. Блок-схема методики расчета водного эквивалента снега

Каждому входному параметру были присвоены веса с использованием мнений экспертов и методологии AHP. В результате наибольший вес (29%) имела карта водного эквивалента снега (29%), а карты плотности дренажа и землепользования/земного покрова имели одинаковый вес, равный 25,5%. Наклону был присвоен менее значимый вес (10%). Карты гидрогеологии и почвенного покрова имели в равной степени наименьшую долю во взвешивании, составляя всего 5% (рис. 4). Мы считаем, что это наиболее целесообразная развесовка для северных степных районов Республики Казахстан и регионов с аналогичными почвенно-климатическими условиями.

Рисунок 4. Относительные веса индикаторов потенциальных зон для резервирования талых и паводковых вод

Для проверки окончательных результатов потенциальных участков фермерских прудов для сбора весеннего поверхностного стока были оцифрованы существующие резервуары (котлованы) советского периода в Аккайынском районе. Эти фермерские пруды были созданы в 1970-х и 1980-х годах с использованием бульдозерной техники; некоторые из них представляют собой воронки, намеренно взорванные взрывчаткой. Учитывая, что топографо-геодезические работы проводились на этапах планирования этих резервуаров, мы считаем, что были выбраны наиболее подходящие с географической точки зрения локации. Таким образом, мы наложили векторный файл со 121 существующим фермерским прудом на итоговую карту, показывающую потенциальные зоны. Установлено, что ни один котлован советского типа не располагался в зоне низкого потенциала (0%), а 18% из них были построены на территории со средним потенциалом (рис. 5). Это связано с тем, что некоторые фермерские пруды также снабжались подземными водами из буровых скважин, поэтому располагались недалеко от существующих населенных пунктов и также обслуживали скот. Однако 79% котлованов (95) располагались в зоне с высоким потенциалом, а 3% — в зоне с очень высоким потенциалом. В среднем качественная оценка потенциальных площадей резервирования талых и паводковых вод более чем на 80% совпала с наземными данными существующих фермерских прудов. Это означает, что наши данные в высокой степени коррелируют с существующими котлованами с использованием процесса аналитической иерархии в ГИС среде.

Рисунок 5. Доля существующих фермерских прудов в разработанной карте потенциальных зон

Обсуждение и выводы

По сравнению с аналогичными исследованиями, связанными с определением потенциальных мест сбора дождевой воды, в этом исследовании использовался параметр снега, который ранее не учитывался. Мы считаем, что снег является основной причиной весенних паводков, а также возможным решением проблемы засухи в регионе. Согласно многолетним данным полевых снегомерных съемок в среднем, в Аккайынском районе ежегодно выпадает 20 см снега, а средняя плотность снега достигает 300 кг/м 3 . Это означает, что на один квадратный метр земли приходится около 60 литров снежной воды или 600 м 3 на гектар. Предположим, что потери воды на испарение и инфильтрацию составляют 15%. В этом случае талой воды, собираемой с территории в 5 га, хватает на 1 га пшеницы при полном орошении или на 2 га при дефицитном орошении. Учитывая эту пропорцию, несложно подсчитать, что теоретически, за счет сбора талых вод с 30% исследуемой площади (135 000 га), на дефицитное орошение может быть переведена четвертая часть обрабатываемых земель Аккайынского района, что составляет 54 000 га. Это не только уменьшит наводнения и стабилизирует доходы фермеров в засушливые годы, но также откроет возможность выращивания других высокорентабельных культур. Соответственно, местные исполнительные органы получали бы больше налогов, и меньше средств тратили бы на восстановление инфраструктуры после разрушительных наводнений. Это приведет к более устойчивому развитию в регионе, повысит экономический рост и социальную ответственность, а также сохранит экологический баланс.

Тем не менее, в ходе исследования мы также обнаружили, что использование метода АНР в ГИС среде для разграничения потенциальных зон имеет ряд ограничений: (1) полученные результаты частично субъективны, так как частично зависят от мнения экспертов, (2) хотя основной подход остается неизменным, взвешивание входных параметров и подкритериев сильно привязано к конкретной географической области и не может быть масштабировано, и (3) добавление/удаление альтернатив к/из существующей модели приводит к изменению предпочтительного порядок других альтернатив без чередования значений попарных сравнений по отдельным критериям. Учитывая преимущества и ограничения определения потенциальных участков фермерских прудов для сбора весеннего поверхностного стока с использованием интегрированного АНР в среде ГИС, мы ожидаем, что наш подход будет полезен для устойчивого управления водными ресурсами, улучшения социально-экономических условий населения и развитие орошаемого земледелия в Аккайынском районе Северо-Казахстанской области. Планируется дальнейшая работа по оценке возможных социально-экономических эффектов от внедрения устойчивого управления водными ресурсами за счет таяния снега и сбора паводковых вод в резервуарах и повышения продуктивности воды при орошении.