ВЫЯВЛЕНИЕ И ОЦЕНКА ДОБЫЧИ ПЕСКА, ГРАВИЯ ИЗ РУСЛА ГУЗАРДАРЬИ С ПОМОЩЬЮ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

УДК: 004.72

АННОТАЦИЯ

Незаконная добыча песка и гравия оказывает негативное воздействие на окружающую среду, морфологическое строение русла, на его берега, а также приводит к уменьшению водности и, как следствие, к углублению уровня грунтовых вод. Этот процесс в настоящее время наблюдается на Гузардарье и продолжается даже при наличии правительственного запрета на добычу песка и гравия. Существуют различные методы расчета ущерба, нанесенного руслу реки, однако применительно к руслу Гузардарьи дистанционное зондирование ранее не проводилось. В настоящем исследовании на примере 10-километрового участка реки, протекающей по территории Гузарского района Кашкадарьинской области, оценены геоморфологические и гидроэрозионные риски, связанные с добычей песка и гравия из реки. Исследование выполнено на основе ГИС-технологий и цифровой модели рельефа (DEM). Снижение уровня подземных вод привело к угнетению растительного мира. В результате степень озелененности резко снизилась. В настоящее время установлено, что здесь произрастают засухоустойчивые растения. Одновременно, выявлено начало процесса деградации экосистемы, снижение уровня грунтовых вод уменьшило влажность почвы, что повысило ее подверженность ветровой и водной эрозии. Это, соответственно, привело к уменьшению речного стока и изменению условий обитания в водной среде. В ближайшие годы река может перейти в состояние, не поддающееся восстановлению.

ABSTRACT

 Illegal sand and gravel extraction has a negative impact on the environment, the morphological structure of the river channel and its banks, and also leads to a reduction in water availability, which in turn causes a deepening of the groundwater table. This process is currently observed in the Guzardarya River and continues despite the existing governmental ban on sand and gravel extraction. Various methods exist for calculating damage caused to river channels; however, remote sensing has not previously been applied to the Guzardarya river channel. In this study, geomorphological and hydro-erosion risks associated with sand and gravel extraction from the river were assessed using the example of a 10-kilometre section of the river flowing through Guzar District, Kashkadarya Region. The study was carried out using GIS technologies and a Digital Elevation Model (DEM). The lowering of the groundwater level has resulted in the suppression of vegetation. As a result, the degree of greenness has sharply decreased. It has been established that drought-resistant plant species currently grow in this area. At the same time, the onset of ecosystem degradation has been identified: the decline in the groundwater table has reduced soil moisture, thereby increasing its susceptibility to wind and water erosion. Consequently, this has led to a decrease in river runoff and changes in aquatic habitat conditions. In the coming years, the river may reach a state that is no longer recoverable.

Ключевые слова: река Кашкадарья, добыча песка и гравия, ГИС технологий, грунтовые воды.

Keywords: Kashkadarya River, sand and gravel extraction, GIS technologies, groundwater.

Введение. Добыча природных заполнителей, включая песок, гравий и щебень, является одним из основных источников строительного сырья, широко используемого во всем мире, что подтверждается исследованиями, выполненными на примере Австралии (Erskine & Green, 2000), Франции (Petit, Poinsart & Bravard, 1996), Италии (Surian & Rinaldi, 2003), США (Kondolf, 1994), Бельгии (Houbrechts, Hiver & Petit, 2005) и Великобритании (Sear & Archer, 1998). Однако горнодобывающая деятельность, независимо от ее масштаба, по своей природе оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду. В последние годы добыча песка и гравия стала одной из серьезных экологических проблем во всем мире. Она часто приводит к деградации земель, утрате сельскохозяйственных угодий, снижению биоразнообразия, а также способствует усилению социально-экономической уязвимости и росту бедности среди населения [1].

Целю данной работы является определения уязвимых территории Гузардарьи и рекомендовать приостановить добычи всех нерудных ископаемых, приводящих к деградации русла и поймы реки.

Аллювиальные гравийные реки и их поймы являются важными участками добычи песка и гравия, которые широко применяются при строительстве дорог и зданий. В результате вдоль речных коридоров, особенно вблизи быстро растущих городов, добыча этих материалов приобретает широкие масштабы и интенсивный характер. Во флювиальных ландшафтах различные виды добычных работ, включая разработку непосредственно в русле, поверхностную выемку или зачистку русловых баров и пойменных отложений с использованием бульдозеров и тяжелой техники, а также создание котлованов и водоемов с применением гидравлических механизмов, вызывают разнообразные экологические последствия [2].

Песок и гравий являются компонентами аллювиально-геологических отложений, которые формируются в течение длительного времени, однако извлекаются за весьма короткий период. Эти материалы представляют собой приповерхностные геологические ресурсы, образованные в результате эрозии горных пород и последующего переноса продуктов разрушения реками и временными водотоками. Песок и гравий добываются непосредственно из речного русла, поймы и прилегающих речных террас в процессе карьерной разработки [3].

Добыча осадочного материала вдоль рек приводит к различным прямым геоморфологическим изменениям, а также связанным с ними гидрологическим и биотическим нарушениям. Кроме того, она вызывает косвенные изменения, повышая уязвимость ландшафта, особенно его склонность к трансформации во время паводков. Изменения плановой конфигурации и положения русла включают усиление береговой эрозии, латеральную миграцию, а также смещение русловых потоков в пойменные карьеры при развитии авульсионных процессов. Разработанные участки могут расширяться за счет выемки материала по периметру русла либо в результате миграции русла и авульсии, приобретая антропогенную форму карьера [3].

Картографирование почвенной эрозии и перемещения земельных масс с использованием ГИС позволяет оперативно выявлять территории, подверженные высокому риску эрозионных процессов, а также получать оценочные данные о возможных потерях почвы на различных участках. Следовательно, с помощью ГИС возможно моделирование эрозии и образования наносов в отдельных территориальных единицах. Совместное применение ГИС и эрозионных моделей доказало свою эффективность при оценке интенсивности и пространственного распределения эрозионных процессов [4].

Учитывая эпизодический и динамичный характер речных берегов и русел, а также труднодоступность отдельных участков, целесообразным является применение методологического подхода, основанного сначала на использовании спутниковых данных, а затем на аэрофотосъемке, полученной с помощью беспилотных летательных аппаратов. Применение данного подхода способствует более эффективному мониторингу охраны рек за счет точного и своевременного выявления участков незаконной добычи в пределах речного русла [5].

Dujardin и соавторы при изучении речных систем Индии успешно применили данные цифровой модели рельефа (DEM). В частности, на основе DEM были использованы такие показатели, как аккумуляция стока, уклон, LS-фактор и индекс переноса наносов (STI). В связи с этим при выявлении участков добычи песчано-гравийных материалов из речного русла и оценке опасных зон важное значение приобретает применение дистанционного зондирования, ГИС-технологий и гидролого-топографических показателей, полученных на основе DEM. В частности, показатели аккумуляции стока, уклона, LS-фактора и STI позволяют оценивать направление и концентрацию стока, крутизну рельефа, эрозионный потенциал и риск переноса наносов. Выделение буферных зон вокруг реки, в свою очередь, служит для комплексного анализа антропогенных и природных факторов, влияющих на добычу песка и гравия [6].

При оценке воздействия добычи песка и гравия из рек важное значение имеет выделение опасных зон речного русла с использованием буферного анализа. В данном случае изучаются не только наиболее опасные участки, но и прилегающие территории до относительно безопасных зон. Последние исследования показывают, что выбор 10-километрового участка реки при анализе добычи песка и гравия позволяет научно обосновать и раскрыть влияние многих факторов [7].

Использование спутниковых данных позволяет точно оконтуривать речное русло, разрабатывать морфометрические индексы, связанные с продольным профилем и общей мощностью потока, а также выявлять изменения граничных условий потока, вызванные добычей песка и гравия. К таким изменениям относятся сужение и врезание русла, фиксация тальвега, бронирование руслового ложа и изменение геоморфологического разнообразия [8]. Количественный анализ цифровой модели рельефа (DEM) в среде географических информационных систем (ГИС) в соответствии с различными моделями позволяет получать разнообразные сведения о ландшафтах, для которых гидрологические и топографические данные имеют ключевое значение. Путем обработки DEM в ГИС возможно подготовить такие гидрологические факторы, как топографический индекс влажности (TWI), индекс неровности рельефа (TRI), индекс мощности потока (SPI), индекс переноса наносов (STI), топографический позиционный индекс (TPI), плотность речной сети и расстояние до водотока [9]. В настоящем исследовании также используются данные DEM.

Sediment Transport Index (STI — индекс переноса наносов) представляет собой гидрологический показатель, характеризующий способность водного потока в пределах ландшафта, включая дождевой и речной сток, переносить осадочный материал. Индекс переноса наносов (STI) может быть рассчитан по методике Moore и Burch (1986) с использованием инструмента Raster Calculator в среде ArcGIS [10]. По результатам исследований E. S. Rentier прогнозируется, что к 2050 году запасы песка и гравия могут существенно сократиться. Даже при контролируемых условиях добыча песка и гравия из русел и берегов рек оказывает воздействие на окружающую среду. К сожалению, во многих странах наблюдается дефицит песка. В сочетании с несовершенной политикой регулирования горнодобывающей деятельности и высоким спросом это приводит к бесконтрольной и незаконной добыче [11]. В связи с этим резко возрастает потребность в изучении речных русел с использованием ГИС-технологий. Исследования показывают, что землепользование/земной покров, расстояние до автомобильных дорог, индекс переноса наносов (STI) и топографический индекс влажности (TWI) относятся к наиболее значимым факторам, влияющим на формирование оврагов в пределах водосборного бассейна. На участках с высокой эрозионной опасностью, как правило, возрастают значения уклона и LS-фактора. Это приводит к нарушению устойчивости речных русел, а последствия добычи песка и гравия могут приобретать труднообратимый характер [12].

Таким образом, вследствие вышеуказанных факторов в бассейне реки Кашкадарья потеря почвы, нарушение режима наносов и усиление эрозионных процессов становятся актуальной экологической и геоморфологической угрозой.

Объект и методика исследования. В качестве объекта исследования была выбрана река Гузардарья, протекающая через Гузарский район Кашкадарьинской области; центральные координаты объекта составляют 38°38'20.82"N, 66°14'05.47"E (рис. 1).

Рисунок 1. Объект исследования

Первоначально на 6-километровом участке реки Гузардарьи, являющейся объектом исследования, были проведены полевые исследования и оценена сложившаяся ситуация. Затем для оценки возможных геоморфологических и гидрологических рисков, возникающих вследствие добычи песка и гравия в русле Гузардарьи, была применена методология многокритериального пространственного анализа на базе программной среды ArcGIS Pro. В качестве основного источника в исследовании использовалась цифровая модель рельефа (DEM) с пространственным разрешением 30 м (SRTM GL1 Global).

Карта «наиболее опасных участков» для добычи песчано-гравийных материалов из реки была составлена в ArcGIS Pro на основе STI, эрозии, морфологии реки, опасных факторов добычи и площади. На основе DEM были созданы следующие производные растровые слои:

• Крутизна склонов (Slope)
• Направление потока (Flow Direction)
• Накопление потока (Flow Accumulation)
• LS-фактор
• Индекс транспорта наносов (STI)

Данная карта в основном опирается на пять указанных ключевых слоев.

Сначала с использованием ГИС-технологий на основе DEM-карты объекта был определен показатель Sediment Transport Index (STI) реки. Затем были определены зона неустойчивости берегов реки (береговая эрозия), slope (уклон, %), flow accumulation (накопление потока) и LS-фактор объекта. В зоне проведения добычных работ в русле реки были созданы буферные зоны. Эти зоны, соответственно, составляют 100, 200, 300, 400 и 500 м от русла реки.

Затем пять основных слоев - STI, slope, buffer zone, flow accumulation и LS-фактор - были реклассифицированы по 5-балльной системе.

• 1 - зона низкого риска
• 2 - зона среднего риска
• 3 - зона риска
• 4 - зона высокого риска
• 5 - зона экстремального риска

Все реклассифицированные растровые слои были интегрированы в программе ArcGIS Pro с помощью инструмента Raster Calculator. При этом все факторы были приняты равновесными, а итоговый индекс риска рассчитан по следующей формуле:

Предложенная методика может использоваться как эффективный научно-практический инструмент при оценке риска добычи полезных ископаемых в руслах рек, выявлении экологически ограниченных зон, территориальном планировании и принятии природоохранных решений.

В данном исследовании при интеграции морфометрических и гидрологических факторов всем показателям был присвоен равный весовой коэффициент. Такой подход был выбран в связи с отсутствием достаточного количества полевых данных, позволяющих количественно определить относительную значимость каждого фактора для условий исследуемой территории. Каждый из указанных факторов отражает различные аспекты формирования опасных участков: концентрацию поверхностного стока, крутизну рельефа, потенциальную эрозионную активность, способность потока к транспортировке наносов и пространственную близость к руслу реки.

Для проверки результатов моделирования участки русла, выделенные как зоны повышенной опасности, были визуально сопоставлены с высокоразрешающими историческими спутниковыми снимками Google Earth Pro. В процессе проверки основное внимание уделялось выявлению признаков добычи песчано-гравийных материалов в русле реки, подъездных путей и следов движения техники, карьерных выемок, локального углубления русла, береговой эрозии и нарушенных участков морфологии русла. Такой подход позволил оценить пространственное соответствие рассчитанных зон повышенной опасности фактическим признакам антропогенного воздействия на русловую систему. При этом данная проверка рассматривалась как дистанционная визуальная валидация и не заменяет прямые полевые измерения эрозии или транспорта наносов. Однако данная проверка не может в полной мере заменить измерения на месте в непосредственных полевых условиях, а скорее рассматривалась как дистанционная визуальная проверка.

Рисунок 2. (а) южная и (б) северная части объекта исследования. На снимке показаны следы добычи песчано-гравийных материалов, подъездные пути техники и нарушенные участки морфологии русла.

Таблица 1.

Значения

Обсуждение и результаты исследования. Сначала основная карта и DEM-карта были приведены к единой проекции UTM Zone 42N, затем пустоты были заполнены инструментом Fill. Из DEM-карты были получены направление потока и накопление потока (рис. 3).

Рисунок 3. Направление потока и накопление потока объекта исследования

При определении показателя STI важнейшей частью является вычисление крутизны склона в градусах. Чем больше крутизна, тем выше значение STI (рис. 4).

Рисунок 4. Крутизна склонов (в градусах)

Рисунок 5. Показатель переноса наносов (STI)

Используя полученные данные накопления потока и крутизны склонов, определяем показатель переноса наносов (рис. 5). Для расчета STI была использована следующая формула.

STI= Power (“Flow accumulation”/22.13, 0.4) * Power (“Sin(“Slope”)/0.896, 1.3)

Рисунок 6. Крутизна склонов (в процентах)

Таким образом был рассчитан показатель STI, значения которого составили от 0 до 179. Это считается очень высоким показателем. Следующий этап - определить крутизну склонов в процентах на основе DEM-карты (рис. 6).

Рисунок 7. LS-фактор

На основе DEM-карты определяется LS-фактор (рис. 7). LS-фактор является частью RUSLE и характеризует высоту и длину склона.

В ходе полевых исследований были выявлены опасные участки добычи песка и гравия из реки. На расстоянии до 600 м от реки были созданы буферные зоны и визуализированы с помощью программы ArcGIS Pro. При этом наиболее опасная зона была определена в пределах до 200 м, а безопасная зона - до 600 м (рис. 8).

Были сформированы пять основных слоев. Каждый из этих слоев отражает необходимые геоморфологические и гидрологические показатели объекта исследования. Для их объединения каждый слой был реклассифицирован по 5-балльной системе. В

результате при их объединении была получена итоговая risk map в диапазоне от 5 до 25. При этом значение 25 означает очень опасную зону, а значение 5 - безопасную зону. Заключительным этапом стало сложение пяти реклассифицированных растров в ArcGIS Pro с использованием Raster Calculator (рис. 9).

Рисунок 8. Буферная зона

Рисунок 9. Risk map

Первоначально рассчитанный STI составил от 0 до 179 (рис. 4). STI был рассчитан для оценки способности объекта исследования к переносу наносов. Результаты показывают, что STI существенно различается в зависимости от таких топографических характеристик, как крутизна склонов и накопление потока. Самые высокие показатели наблюдались на крутых склонах и вдоль линии стока. Низкие показатели в основном отмечались на ровных участках и в местах, где поток почти отсутствует. Однако очень высокая крутизна склонов и высокое значение STI связаны с антропогенным фактором. В ходе полевых исследований было установлено, что крутые склоны и изменение потока сформировались в результате нерегулируемой добычи песка и гравия в русле реки и вокруг него.

Таблица 2.

Оценка показателя STI

Значения накопления потока, полученные в результате гидрологического анализа DEM, составили от 0 до 12220, что показывает существенное изменение концентрации потока (рис. 2). Низкие значения указывают на территории, вносящие вклад в основной поток, тогда как высокие значения соответствуют основному пути стока и речным каналам. Высокие показатели накопления потока привели к повышению значения STI, одновременно увеличив способность переноса наносов вдоль речного русла.

Крутизна склонов, полученная из DEM, составила от 0 до 20 %, что показывает, что территория исследования имеет относительно умеренные уклоны. Нижние значения уклона характеризуют ровные поверхности, а более высокие процентные значения соответствуют более крутым склонам с высокой скоростью поверхностного стока и высоким эрозионным потенциалом. Эти склоны в основном приурочены к береговой зоне реки. Это также показывает, что в результате нерегулируемой добычи песка и гравия берега реки приобрели крутой характер. Указанные высокие значения, в свою очередь, про являются в повышении STI и значительном потенциале переноса наносов на территории.

LS-фактор, совместно отражающий влияние длины и крутизны склона на почвенную эрозию, был получен из DEM-карты, и его значения составили от 0 до 52. Высокие значения показывают значительную крутизну и длину склонов, причем эти участки в основном соответствуют путям речного стока. Это, в свою очередь, указывает на очень высокий уровень эрозии в реке (рис. 6). Высокие значения LS-фактора также отражают способность переноса наносов и свидетельствуют о сильной связи с движением наносов внутри водосборного бассейна.

Для оценки влияния деятельности по добыче песка и гравия из реки вокруг речного канала были созданы буферные зоны с соответствующими расстояниями 200, 300, 400, 500 и 600 м (рис. 7). Первая буферная зона, расположенная в пределах 200 м, характеризует экологически опасную зону внутри речного канала, где эрозия высока и чувствительность к переносу наносов очень велика. Результаты показывают, что зоны с наиболее высоким переносом наносов и высокой экологической опасностью соответствуют первой и второй буферным зонам. В ходе полевых исследований было установлено, что в 600-метровой буферной зоне риск находится на низком уровне.

Risk map была создана путем объединения топографических, антропогенных и гидрологических факторов, включая крутизну склонов, накопление потока, LS-фактор и показатель переноса наносов (STI). На карте отражено пространственное распределение участков, где движение наносов и склонность к эрозионным процессам являются высокими.

Таблица 3.

Показатели Risk map

Видно, что экстремальные, очень высокие и высокие зоны риска в основном расположены вдоль пути речного стока. Это, в свою очередь, показывает, что в русле реки эрозия выражена сильно. Опасные зоны в русле реки сформировались преимущественно в результате антропогенного и техногенного воздействия. Нерегулируемая добыча песка и гравия нарушила и изменила русло реки. Risk map показывает опасные для добычи песка и гравия участки, связанные с гидрологическим и антропогенным воздействием на реку и зонами сильной эрозии.

Risk map показывает, что добыча песка и гравия в реке достигла наиболее опасного состояния. Правительственные решения запретили добычу песка и гравия в реке Гузардарье. Risk map подтверждает правильность этих решений. Установлено, что нерегулируемая добыча песка и гравия изменила русло и направление реки. Вместе с тем даже в сезон увеличения водности реки (май-сентябрь) Гузардарья в последние годы значительно обмелела (рис. 10).

Рисунок 10. Состояние реки Гузардарьи в 2010 и 2026 годах

Заключение. Экологическое состояние Гузардарьи является весьма тяжелым. Наибольшая опасность заключается в снижении уровня грунтовых вод. В ходе полевых исследований было установлено значительное понижение уровня подземных вод.

Снижение уровня подземных вод привело к угнетению растительного мира. В результате степень озелененности резко снизилась. В настоящее время установлено, что здесь произрастают засухоустойчивые растения. Одновременно, выявлено начало процесса деградации экосистемы. Как видно на рисунке 9, снижение уровня грунтовых вод уменьшило влажность почвы, что повысило ее подверженность ветровой и водной эрозии. Это, соответственно, привело к уменьшению речного стока и изменению условий обитания в водной среде. В ближайшие годы река может перейти в состояние, не поддающееся восстановлению.

Постоянное снижение уровня подземных вод в засушливых и полузасушливых районах ускоряет деградацию земель и процессы опустынивания. Поэтому необходимо прекратить добычу песка и гравья в реке и запретить движение грузовых автомобилей. Река может восстановиться естественным путем в течение многих лет. Однако если антропогенное воздействие будет продолжаться, русло реки может перейти в невосстановимое состояние.

В зонах высокого риска, отображенных на risk map, необходимо запретить добычу, организовать постоянный мониторинг с использованием ГИС-технологий, регулярно наблюдать за дном и берегами реки, а также проводить практические работы по восстановлению растительного покрова. Risk map служит инструментом поддержки правительственных решений, направленных на устойчивое управление речным бассейном и экологически ответственную добычу песка и гравия.

Список литературы:

1. Musah J. A., Barkarson B. H. Assessment of sociological and ecological impacts of sand and gravel mining: A case study of East Gonja District (Ghana) and Gunnarsholt (Iceland) //Final Project, Land Restoration Training Programme, Keldnaholt. – 2009. – Т. 112.
2. Mossa J., Marks S. R. Pit avulsions and planform change on a mined river floodplain: Tangipahoa River, Louisiana //Physical Geography. – 2011. – Т. 32. – №. 6. – С. 512-532.
3. Devi M. A., Rongmei L. Impacts of sand and gravel quarrying on the stream channel and surrounding environment //Asia Pacific Journal of Energy and Environment. – 2015. – Т. 2. – №. 2. – С. 75-80.
4. Ashiagbor G. et al. Modeling soil erosion using RUSLE and GIS tools //Int J Remote Sens Geosci. – 2013. – Т. 2. – №. 4. – С. 1-17.
5. Diaconu D. C. et al. River sand and gravel mining monitoring using remote sensing and UAVs //Sustainability. – 2023. – Т. 15. – №. 3. – С. 1944.
6. Dujardin E. et al. Mapping and modeling riverine sand and gravel mining at the sub-continental scale: A case study for India //Science of the Total Environment. – 2024. – Т. 912. – С. 169200.
7. McKelvey B., MacKay F. A spatio-temporal sand mining pressure index to support the management of estuary health //Journal of Environmental Management. – 2025. – Т. 373. – С. 123479.
8. Akuria M., Sinha R. Spatiotemporal morphodynamics of an ephemeral Himalayan River impacted by sand mining: A process-response framework //Science of the Total Environment. – 2025. – Т. 964. – С. 178526.
9. Chowdhury M. S. Modelling hydrological factors from DEM using GIS //MethodsX. – 2023. – Т. 10. – С. 102062.
10. Tilahun A., Desta H. Soil erosion modeling and sediment transport index analysis using USLE and GIS techniques in Ada’a watershed, Awash River Basin, Ethiopia //Geoscience Letters. – 2023. – Т. 10. – №. 1. – С. 57.
11. Rentier E. S., Cammeraat L. H. The environmental impacts of river sand mining //Science of the Total environment. – 2022. – Т. 838. – С. 155877.
12. Nkonge L. K. et al. An ensemble of weight of evidence and logistic regression for gully erosion susceptibility mapping in the Kakia-Esamburmbur catchment, Kenya //Water. – 2023. – Т. 15. – №. 7. – С. 1292.