Введение

В засушливых и субтропических регионах крупные ирригационные воздействия могут вызвать экомелиоративные изменения, такие как жизнеспособность растительности, уровень грунтовых вод, вторичное засоление и заболачивание. Центрально-Ферганское водохранилище (ЦФВХ), введенное в эксплуатацию в 2013 году, является одним из важнейших гидротехнических сооружений Ферганской долины. Несмотря на его значение для водоснабжения и сельского хозяйства, требуется системный мониторинг для управления прилегающими агроландшафтами. Дистанционное зондирование, например показатель NDVI, позволяет эффективно и экономично оценивать изменения во времени. В данной статье анализируются изменения, фиксируемые на основе NDVI в 2010–2025 годах, и проводится их сравнение с полевыми наблюдениями.

Цель исследования – оценка эколого-мелиоративных изменений в зоне влияния Центрально-Ферганского водохранилища за период с 2010 по 2025 год с использованием методов дистанционного зондирования и ГИС-технологий.

Совместное использование дистанционного зондирования (ДЗ) и географических информационных систем (ГИС) позволяет вести оперативный и систематический мониторинг изменений на больших территориях при учете эколого-мелиоративного состояния орошаемых агроландшафтов [1; 2]. Когда ДЗ/ГИС сочетаются с полевыми наблюдениями и лабораторными анализами, расширяются возможности количественной оценки таких важных показателей, как степень засоления, влажность почвы и динамика растительного покрова [3; 4].

Индикаторы NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – нормализованный разностный вегетационный индекс) являются наиболее распространенным индикатором для оценки пространственных и периодических изменений растительного покрова. Чувствительный к влажности воды NDWI был разработан Гао (1996) и используется в качестве эффективного инструмента для определения водных территорий [5]. В пространственном моделировании и картографировании с возможностями ГИС основное место занимают геостатистические методы: интерполяция, анализ трендов и регрессионные модели [6; 7].

Эффективность технологий ДЗ/ГИС в управлении земельно-водными ресурсами, а также в мониторинге процессов деградации и засоления подтверждена многочисленными исследованиями в Центральной Азии. В частности, в Казахстане и Таджикистане на основе данных Landsat и Sentinel определены тенденции NDVI и показатели деградации [8]. Параллельно для засушливых территорий региона создаются платформы агромониторинга и прикладных сервисов [9–11].

В Узбекистане также широко применяются подходы ДЗ/ГИС для оперативного наблюдения за площадями водохранилищ, картирования процессов опустынивания, мониторинга почв, склонных к засолению и с высоким риском увлажнения. Этот процесс приобретает все большее значение при принятии экономических и хозяйственных решений [12; 13]. Вместе с тем широко раскрыты системы исследований, направленные на эффективное управление орошением [14], а также возможности ГИС в области структурных изменений использования земельных ресурсов и решения вопросов территориального развития [15; 16].

Исследования, основанные на данных дистанционного зондирования вокруг водохранилища Центральная Фергана, ранее способствовали совершенствованию мониторинга водных объектов [17] и оценке состояния почв [18]. Опираясь на эти фундаментальные труды, новизну настоящего исследования определяем в проведении комплексного анализа многолетней (2010–2025 гг.) динамики распределения классов NDVI на единой геоинформационной платформе.

Важно отметить, что спектральные индексы, такие как NDVI, интерпретируются авторами не как прямой измеритель содержания солей в почве, а как индикатор угнетения (стресса) сельскохозяйственных культур и естественной флоры, требующий обязательной валидации наземными методами.

Район исследования. Исследуемая территория охватывает зону непосредственного воздействия Центрального Ферганского водохранилища (ЦФВХ) и прилегающие сельскохозяйственные угодья. Климат сухой и жаркий, характерный для сухих субтропических условий. Согласно полевым записям, в части, прилегающей к водохранилищу с северо-восточной стороны, развиты болота, заросшие камышом; вдоль северо-западного и западного берегов в полосе побережья 50–100 м развиты заболоченные и сильнозасоленные почвы и солончаки. По мере удаления от источников воды формируются луговые почвы с различной степенью засоленности. Основная часть земель территории исследования орошается водами Большого Андижанского канала (БАК) и ЦФВХ.

Материалы и методы исследования

Для оценки динамики растительного покрова и поверхностных вод использовались безоблачные (облачность менее 10%) мультиспектральные снимки Landsat 5 TM, Landsat 8 OLI/TIRS и Landsat 9 OLI-2. В целях обеспечения высокой точности анализа применялись данные уровня обработки Level-2 (Surface Reflectance), загруженные из архива Геологической службы США (USGS). Параметры использованных сцен приведены в таблице 1.

Атмосферная коррекция снимков была выполнена на стороне провайдера с использованием стандартных алгоритмов LEDAPS (для Landsat 5) и LaSRC (для Landsat 8 и 9). Для исключения влияния облаков и их теней на результаты расчетов применялось маскирование на основе слоя контроля качества (QA_PIXEL).

Все пространственные данные были спроецированы в единую систему координат WGS 1984 UTM Zone 42N, соответствующую региону исследования. Расчет нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) проводился по стандартной формуле. Дальнейшая классификация значений NDVI для выделения типов подстилающей поверхности (водные объекты, открытые грунты, растительность различной густоты) осуществлялась методом порогового разделения. Значения NDVI варьируются в диапазоне от -1 до +1 в зависимости от состояния густоты растительного покрова (табл. 2). Низкие значения указывают на очень редкую растительность или пустующие земли, а высокие значения – на здоровые и густые растения.

Таблица 1

Параметры использованных космических снимков Landsat

Таблица 2

Показатели легенды карт NDVI

Источник: составлено авторами.

Для достоверной дифференциации влияния Центрально-Ферганского водохранилища от общеклиматических факторов (глобального потепления и региональной засушливости) в исследование был интегрирован контрольный (фоновый) участок. В качестве такого участка была выбрана типичная земледельческая территория площадью более 500 га, расположенная на расстоянии 30-35 км к западу от водохранилища (в пределах Бувайдинского района). Данный участок находится за пределами зоны гидрологического и фильтрационного влияния ЦФВХ, однако характеризуется аналогичными биоклиматическими параметрами и исходными луговыми почвами, которые также орошаются водами Большого Андижанского канала (БАК). Сопоставление проводилось на основе многолетних данных мониторинга глубины залегания грунтовых вод и динамики растительного покрова, что позволило изолировать фактор влияния именно гидротехнического сооружения.

Полевые исследования и методы валидации. Для верификации результатов дистанционного зондирования были проведены наземные обследования в зоне влияния Центрально-Ферганского водохранилища в период с 15 апреля по 25 мая 2024 года. В ходе экспедиции были заложены 27 почвенных разрезов (глубиной до уровня грунтовых вод), охватывающих различные классы растительного покрова по классификации NDVI. Координаты точек фиксировались с помощью портативного GPS-приемника (например, заболоченный участок на северо-востоке: 40°41′42″ с.ш., 71°33′01″ в.д.; солончаковая зона на северо-западе: 40°36′22″ с.ш., 71°16′13″ в.д.). Отбор почвенных образцов проводился из генетических горизонтов. В общей сложности для лабораторного анализа было отобрано более 100 проб. Определение полевой влажности почвы проводилось термовесовым методом (высушивание образцов при температуре 105 °C до постоянной массы). Оценка степени засоления и кислотности почв выполнялась в лабораторных условиях. Водородный показатель (pH) определялся потенциометрическим методом с использованием стеклянного электрода. Электропроводность (EC) измерялась в водной вытяжке при соотношении почвы и воды 1:5 с последующим пересчетом в электропроводность насыщенной вытяжки (ECe) для оценки стрессового воздействия солей на растения. В качестве фундаментальной гидрогеологической базы для верификации локальных изменений использовался комплексный массив данных двадцатилетнего мониторинга глубины залегания и минерализации грунтовых вод в Ферганской области. Текущие точечные замеры уровня грунтовых вод (УГВ) в зоне водохранилища проводились с использованием существующих наблюдательных скважин (пьезометров) и гидрогеологических рулеток, что позволило сопоставить зоны с низким NDVI с участками критического подъема грунтовых вод.

Результаты исследования и их обсуждение

Карты NDVI (рис. 1–4) четко отразили пространственно-динамические тенденции изменений в использовании земельных ресурсов, растительном покрове и водных поверхностях за период с 2010 по 2025 г. Количественные показатели изменений приведены в таблице 3.

Таблица 3

Изменение площадей по классам NDVI в 2010, 2015, 2020 и 2025 годах

Источник: составлено авторами.

Расширение поверхностных вод

Водные объекты, являющиеся результатом деятельности человека в районе исследования (водохранилище, озера и пруды, оросительные каналы), на космических снимках (картах) обозначены темно-синим (сине-голубым) цветом (табл. 2). Они составили одно из самых динамичных изменений в исследуемом районе. Площадь водных поверхностей синего цвета быстро увеличилась после ввода водохранилища в эксплуатацию: с 293,3 га (1%) в 2010 году (рис. 1) до 3519,6 га (12%) в 2015 году (рис. 2), а в 2020–2025 годах стабилизировалась на уровне около 4399,5 га (15%) (табл. 3). К 2025 году наблюдалось увеличение количества мелких озер прямоугольной формы (рыбоводческих прудов), и они способствовали расширению водного класса (рис. 4). Это свидетельствует о формировании нового направления хозяйственной деятельности в регионе.

Динамика растительного покрова

Анализ карт NDVI (рис. 1–4) показал, что растительный покров претерпел значительные качественные и количественные изменения (табл. 3).

- Очень редкая растительность или обнаженные поверхности (NDVI 0,015–0,14): если в 2010 году они составляли 19 944,4 гектара (68%), то к 2025 году их площадь сократилась до 11 732 гектаров (40%). Это сокращение свидетельствует об улучшении общего растительного покрова и интенсификации использования сельскохозяйственных земель.

- Средний покров (NDVI 0,18–0,27): расширился с 3519,6 гектаров (12%) в 2010 году до 7332,5 гектаров (25%) в 2025 году. Увеличение площади этого класса свидетельствует об устойчивом развитии посевных площадей и пастбищ.

- Хороший покров (NDVI 0,27–0,36): несмотря на то, что в 2020 году площадь возросла до 2933 гектаров (10%), в 2025 году она снизилась до 2053,1 гектара (7%). Это может указывать на процессы деградации или усиление засоления и заболачивания в некоторых районах.

- Густой и здоровый покров (NDVI 0,36–0,74): составив 879,9 гектара (3%) в 2010 году, он сократился в 2015–2020 годах и в 2025 году снова вернулся к уровню 879,9 га (3%). Эти временные изменения объясняются территориальными (локальными) факторами – гидрологическим режимом, засолением, заболачиванием и хозяйственными нагрузками.

Территориальные различия

В ходе анализа было выявлено, что наряду с расширением посевных площадей существуют локальные зоны, затопленные водой и склонные к засолению. В частности, в северо-восточной и северо-западной частях водохранилища сформировались камышовые заросли и заболоченные участки (рис. 4). Это указывает на экомелиоративные риски, непосредственно связанные с управлением водными ресурсами.

Рис. 1. Состояние территории исследования в 2010 году (спутниковые данные Landsat 5 TM) Источник: составлено авторами

Рис. 2. Состояние территории исследования в 2015 году (спутниковые данные Landsat 8 OLI/TIRS) Источник: составлено авторами

Рис. 3. Состояние территории исследования в 2020 году (спутниковые данные Landsat 8 OLI/TIRS) Источник: составлено авторами

Рис. 4. Состояние территории исследования в 2025 году (спутниковые данные Landsat 9 OLI-2) Источник: составлено авторами

Рис. 5. Сравнительная динамика NDVI в зоне воздействия ЦФВХ (2010-2025 годы) Источник: составлено авторами

Процессы заболачивания и засоления усилились на землях вокруг водохранилища. Как показано на обобщенной динамике на рисунке 5, с 2010 по 2025 год доля плотного растительного покрова (NDVI 0,27–0,74) сократилась с 11% до 10%, в то время как зоны со средней растительностью (NDVI 0,18-0,27) значительно расширились. Значительное сокращение диапазона 0,015–0,18 (темно-оранжевый класс) свидетельствует об общем улучшении растительного покрова, однако снижение диапазона 0,27–0,36 (светло-зеленый класс) с 2020 по 2025 год и возвращение диапазона 0,36–0,74 (темно-зеленый класс) к уровню 2010 года могут указывать на влияние локальных факторов, включая воздействие заболачивания и засоления на состояние растений.

Данные полевых исследований также подтверждают вышеотмеченные тенденции. В северо-восточной части водохранилища выявлены болота, заросшие камышом и рогозом, а с северо-западной и западной сторон в полосе шириной 50–100 м – заболоченные и засоленные до степени солончаков почвы. В районах, близких к Большому Андижанскому каналу (БАК), сформировались лугово-болотные почвы. По мере удаления от источников воды уровень грунтовых вод опускается на глубину 2 метра и более. В этих частях района исследования распространены луговые почвы различной степени засоления. В годы проведения исследований среднегодовая температура воздуха колебалась в пределах 14,8–18,3 °C. Максимальная температура была зафиксирована в июле и достигала 36,8 °C. Годовое количество осадков в этот период составило 113–190 мм. Испаряемость в несколько раз превышает количество выпадающих осадков. Столь незначительное количество осадков не оказывает существенного влияния на изменение уровня грунтовых вод. Однако интенсивное испарение, обусловленное высокими температурами, способствует усилению процессов засоления.

Сравнительный анализ зоны влияния водохранилища с контрольным участком позволил выявить четкие отличия. На фоновой территории (вне влияния ЦФВХ) показатели NDVI и уровень грунтовых вод подвержены преимущественно сезонным колебаниям и остаются относительно стабильными в многолетнем разрезе. В противовес этому в буферной зоне водохранилища зафиксирован резкий и устойчивый подъем уровня грунтовых вод (до 1-1,5 метров от поверхности). Хотя в масштабах всей исследуемой территории площадь классов с низким NDVI (0,015–0,18) в целом сократилась с 76% до 50%, детальный геоинформационный анализ узкой прибрежной полосы (в радиусе до 500 м от водоема) выявил обратную, локальную тенденцию. Именно в этой зоне зафиксировано очаговое расширение площадей темно-оранжевого и коричнево-оранжевого классов NDVI (индикаторы деградации и стресса растительности). Это однозначно доказывает, что катализатором процессов локального заболачивания и вторичного засоления выступает именно фильтрация вод из гидротехнического сооружения, а не только региональные климатические тренды.

Наблюдаемые процессы характерны не только для Центрально-Ферганского водохранилища, но и для других водохранилищ Узбекистана. Под воздействием Каттакурганского водохранилища автоморфные почвы эволюционировали в полуавтоморфные, полугидроморфные и гидроморфные [18]. В зоне влияния Джизакского водохранилища гидроморфированные и засоленные почвы также занимают значительную долю [19]. В районе Чарвакского водохранилища выявлены сокращение площадей плотной растительности, расширение зон с ослабленным растительным покровом и увеличение участков без растительности [20; 21]. Сопоставление перечисленных работ с настоящим исследованием по объекту, периоду, исходным данным, методам, диагностическим показателям и пространственному охвату приведено в таблице 4.

Как следует из таблицы 4, работа [18] основана на однократном полевом почвенно-морфологическом обследовании, работа [19] – на полевом ландшафтном картографировании, тогда как работы [20; 21] выполнены дистанционными методами, но ограничены анализом растительного покрова горной территории без наземной верификации. Отличительной особенностью настоящего исследования является сочетание разновременного спутникового ряда за 2010–2025 гг. с наземной почвенно-гидрогеологической валидацией и с контрольным (фоновым) участком в пределах единой геоинформационной платформы. Такое сочетание позволило не только зафиксировать факт подтопления, но и пространственно локализовать очаги риска вторичного засоления в прибрежной полосе шириной до 500 м, а также отделить влияние гидротехнического сооружения от общерегиональных климатических трендов. Различие в ширине зоны влияния – до 3–3,5 км у Каттакурганского водохранилища [18] и до 500 м в настоящем исследовании – обусловлено прежде всего разной продолжительностью эксплуатации: Каттакурганское водохранилище, первое в Узбекистане, полностью введено в эксплуатацию в 1952 г., тогда как ЦФВХ – в 2013 г. За более чем 70 лет фильтрационные потери сформировали устойчивый подпор грунтовых вод на значительном удалении от берега, тогда как за 12 лет эксплуатации ЦФВХ этот процесс проявился преимущественно в прибрежной полосе.

Таблица 4

Сопоставление настоящего исследования с работами по другим водохранилищам Узбекистана

Источник: составлено авторами.

Вместе с тем ширина зоны влияния зависит также от рельефа и эффективности коллекторно-дренажной сети [18], поэтому при сохранении текущего режима эксплуатации ЦФВХ следует ожидать постепенного расширения зоны подтопления, что обосновывает необходимость продолжения мониторинга.

Из наблюдений видно, что наряду с улучшением водоснабжения возникают и экомелиоративные риски. Быстрое расширение открытых водных поверхностей и рыбоводственных прудов отражает экономико-инфраструктурные изменения. В то же время сокращение светло-зеленого класса в 2025 году и кластеризация темно-синих пятен вблизи дамб (рис. 4) указывают на риск локального заболачивания и вторичного засоления.

Полевые наблюдения (камышовые заросли, солончаковые зоны, повышение уровня грунтовых вод) подтвердили эти интерпретации. Для дальнейшего углубления исследований необходимо обратить внимание на следующее:

- картирование показателей засоления почв (ECe),

- регулярный мониторинг уровня грунтовых вод,

- оценка состояния посевов на основе дополнительных вегетационных индексов (например, EVI, NDMI),

- отдельный анализ изменчивости климата и факторов управления.

Заключение

Результаты карт NDVI. Многовременные анализы NDVI четко зафиксировали гидрологические изменения и изменения растительного покрова, произошедшие после ввода водохранилища в эксплуатацию. Ввод в эксплуатацию водохранилища Центральная Фергана в 2013 году привел к резким изменениям в гидрологическом ландшафте территории, что ярко проявилось в резком расширении водных поверхностей (темно-синий класс, табл. 2) начиная с 2015 года. Наряду с увеличением водных площадей развивались рыбоводческие хозяйства, и это стало важным направлением экономической деятельности региона.

Улучшение растительного покрова. На большей части исследуемой территории сократились голые или слабо покрытые растительностью участки (оранжевый класс), тогда как средний (желто-зеленый) и здоровый растительный покров (светло-зеленый и темно-зеленый классы) расширились или стабилизировались. Эта ситуация связана с расширением сельскохозяйственных угодий, интенсификацией использования посевных площадей, а также мерами, направленными на улучшение окружающей среды.

Вероятные экологические проблемы. Снижение показателей густоты растительного покрова (снижение классов NDVI) не доказывает засоление напрямую, однако эта динамика косвенно указывает на сильный экологический стресс растительности. Как показывают полученные авторами почвенные и гидрогеологические данные, в данных локальных зонах этот стресс обусловлен процессами вторичного засоления и заболачивания.

Стабилизировавшиеся водные площади. После 2015 года открытые водные площади стабилизировались на уровне около 15% (табл. 3). В этот период территории с очень редкой растительностью сократились, а площади со средним покровом расширились. Это свидетельствует об улучшении общего растительного покрова.

Практические рекомендации:

- проведение инженерно-гидрогеологического обследования выявленных зон потенциального риска с последующим обоснованием дренажных мероприятий;

- точное планирование режима орошения и расширение мер по управлению засолением;

- регулярное сочетание спутниковых наблюдений с полевыми проверками;

- налаживание управления земельно-водными ресурсами в засушливых орошаемых ландшафтах на основе принципов адаптивного (гибкого) управления.