Сучасні підходи до моніторингу екологічного стану вод озерних екосистем
Анотація
Мета. Результати впровадження нових підходів до реалізації моніторингу за показниками екологічного стану вод озерних екосистем на прикладі Придунайських озер із використанням сучасних експрес методів визначення окремих екологічних параметрів та супутникової інформації дистанційного зондування водних об’єктів.
Методи. Лабораторній аналіз визначення концентрації хлорофілу-а згідно з ДСТУ 7.1. 4.02-90 «Вода. Методика спектрофотометричного визначення хлорофілу α», польові вимірювання прозорості води із використанням стандартного диску Секкі, концентрацій хлорофілу-а, загальної зваженої речовини, показника спектрального ослаблення світла із використанням портативного гіперспектрального радіометру WISP-3. Оброблення процесором C2X-COMPLEX платформи Sentinel Application Platform супутникових знімків SENTINEL-2 MSI L1C завантажених з браузеру Copernicus.
Результати. Влітку 2023 року здійснено 2 експедиційні виїзди на Придунайські озера Кагул, Ялпуг-Кугурлуй, Китай, Котлабух. Встановлено, що результати спостережень за показниками якості води (концентраціями хлорофілу-а, загальної зваженої речовини, показника спектрального ослаблення світла) отримані за допомогою гіперспектрального радіометру WISP-3 добре узгоджуються як між собою, так і з даними лабораторного аналізу концентрацій хлорофілу-а і вимірами прозорості води. Оцінено можливість використання супутникових знімків SENTINEL 2 MSI, оброблених із застосуванням процесора C2X-COMPLEX платформи Sentinel Application Platform (SNAP 9.0.0), для отримання оперативної інформації щодо просторово-часової мінливості концентрацій хлорофілу-а та загальної зваженої речовини в Придунайських озерах. Встановлена наявність достатньо тісного кореляційного зв’язку (коефіцієнт детермінації 0,9 і вище) між виміряними і визначеними із супутникових знімків значеннями цих показників. За даними досліджень виконаних у липні 2023 року встановлено, що концентрації хлорофілу-а у 2023 році були вищими ніж на початку ХХІ століття (у 2001 р.) у всіх озерах, що є очікуваним наслідком поповнення озер великими об’ємами дунайської води в першому півріччі 2023 року після посушливих попередніх років. Найбільші збільшення концентрацій спостерігались у озері Котлабух.
Висновки. Встановлено, що для моніторингу екологічного стану Придунайських озер, зокрема оперативної оцінки просторово-часової мінливості таких показників якості вод як концентрації хлорофілу-а, загальної зваженої речовини, ступеня прозорості вод, можуть бути успішно використані оброблені із застосуванням процесора C2X-COMPLEX супутникові знімки SENTINEL-2 MSI з просторовою роздільною здатністю 20-60 м на піксель. Радіометр WISP-3 може бути використаний для експрес визначення показників якості води на Придунайських озерах при організації екологічного моніторингу із залученням супутникової інформації, зокрема, з метою її верифікації за даними польових спостережень.
Завантаження
Посилання
Medvedieva, Yu. S., Hopchenko, Ye. D., & Shakirzanova, Zh. R. (2018). Water and salt regimes of Lake Kytai. Odesa. (in Ukrainian).
Shakirzanova, Zh. R., & Romanova, Ye. O. (2021). Water and salt regimes of Lake Kotlabukh. Odesa (in Ukrainian).
Tuchkovenko, Yu. S., & Al-Subary Aly Akhmed Saleh (2010). Modeling of eutrophication of Yalpug-Kugurlui lakes. Bulletin of Odessa State Environmental University, (9), 159-172. (in Russian).
Ivanov, V. A., Hopchenko, Ye. D., Tuchkovenko, Yu. S., Serbov, M. G., & Buzyian, H. D. (2006). Water quality management in the Black Sea estuaries and Danube lakes by regulating the water balance. Envi-ronmental safety of coastal and shelf zones and integrated use of shelf resources, (14), 93-106. (in Russian).
Kovalchuk, L. I., & Mokienko, A. V. (2014). Hygienic assessment of eutrophication of surface water basins of Ukrainian Danube Region. Actual problems of modern medicine, 14(4), 73-78. (in Ukrainian).
Kovaleva, N. V., &Medynets, V. I. (2002). Study of photosynthetic activity of phytoplankton in Danube lakes in 2001-2002. Odesa National University Herald, 7(2), 63-69. (in Russian).
Dzhurtubaev, M. M., Urbanskaya, T. V., Dzhurtubaev, Y. M. (2016). Long-term dynamics of hydrologi-cal and hydro-chemical indicators of Kytai Lake (Odessa region, Ukraine). Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology, Ecology, 24(2), 384-391. (in Russian). https://doi.org/10.15421/011651
Agnoli, L., Urquhart, E., Georgantzis, N., Schaeffer, B., Simmons, R., Hoque, B., Neely, M. B., Neil, C., Oliver, J., Tyler, A. (2023). Perspectives on user engagement of satellite Earth observa-tion for water quality management. Technological Forecasting and Social Change, 189, 122357. https://doi.org/10.1016/j.techfore.2023.122357
Kumar, M., Khamis, K., Stevens, R., Hannah, D.M., Bradley, C. (2024). In-situ optical water quality monitoring sensors—applications, challenges, and future opportunities. Frontiers in Wa-ter, 1380133. https://doi.org/10.3389/frwa.2024.1380133
Jiang, D., Matsushita, B., Pahlevan, N., Gurlin, D., Fichot, C.G., Harringmeyer, J., Sent G., Bri-to, A.C., Brotas V., Werther M., Mascarenhas, V., Blake, M., Hunter P., Tyler, A., Spyrakos, E. (2023). Estimating the concentration of total suspended solids in inland and coastal waters from Sentinel-2 MSI: A semi-analytical approach. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sens-ing, 204, 362–377. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.09.020
Liu, D., Spyrakos, E., Tyler, A., Shi, K., Duan, H. (2024). Satellite algorithms for retrieving dis-solved organic carbon concentrations in Chinese lakes. Science of the Total Environment, 955, 177117. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.177117
Wang, S., Jiang, X., Spyrakos, E., Li, J., McGlinchey, C., Constantinescu, A.M., Tyler, A.N. (2024). Water color from Sentinel-2 MSI data for monitoring large rivers: Yangtze and Danube. Geo-Spatial Information Science, 27(3), 854–869. https://doi.org/10.1080/10095020.2023.2258950
Jiang, D., Scholze, J., Liu, X., Simis, S.G.H., Stelzer, K., Müller, D., Hunter, P., Tyler, A., Spyrakos, E. (2023). A data-driven approach to flag land-affected signals in satellite derived wa-ter quality from small lakes. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinfor-mation, 117, 103188. https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103188
University of Stirling. Earth Observation Research Group. UK Lakes Observatory. Monitoring water resources from space. Retrieved September 17, 2024 from: https://eo4ukwater.stir.ac.uk/
Pahlevan, N., Mangin, A., Balasubramanian, S.V., Smith, B., Alikas, K., Arai, K., Barbosa, C., Belanger, S., Binding, C., Bresciani, M., Giardino, C., Gurlin, D., Fan, Y., Harmel, T., Hunter, P., Ishikaza, J., Kratzer, S., Lehmann, M.K., Ligi, M., Ma, R., Martin-Lauzer, F.-R., Olmanson, L., Oppelt, N., Pan, Y., Pe-ters, S., Reynaud, N., de Carvalho, L.A.S., Simis, S., Spyrakos, E., Steinmetz, F., Stelzer, K., Sterckx, S., Tormos, T., Tyler, A., Vanhellemont, Q., & Warren, M. (2021). ACIX-Aqua: A global assessment of at-mospheric correction methods for Landsat-8 and Sentinel-2 over lakes, rivers, and coastal waters. Remote Sensing of Environment, 258. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112366
Neil, C., Spyrakos, E., Hunter, P.D., & Tyler, A.N. (2019). A global approach for chlorophyll-a retrieval across optically complex inland waters based on optical water types. Remote Sensing of Environment, (229), 159-178. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.04.027
Jiang, D., Matsushita, B., Pahlevan, N., Gurlin, D., Lehmann, M. K., Fichot, C. G., ... & O'Donnell, D. (2021). Remotely estimating total suspended solids concentration in clear to extremely turbid waters using a novel semi-analytical method. Remote sensing of environment, (258), 112386. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112386
Ovcharuk, V., Tyler, A., Tuchkovenko, Y., Khokhlov, V., Jiang, D., Spyrakos, E., Martyniuk M., Hoptsii, M. (2023). Estimation of chlorophyll in Danube Lakes in Ukraine using observations from Copernicus Sentinel-2 MSI. Poster presentation of the Fifth Space for Hydrology Workshop, Hydrospace 2023, Lisbon, Portugal, 27 November - 1 December 2023. https://doi.org/ 10.13140/RG.2.2.31265.99687
Water Insight. WISP-3 portable water quality spectrometer. Retrieved July 15, 2023 from: https://www.waterinsight.nl/info/wisp-3
Water Insight. How to use the WISP-3 Hyperspectral Spectrometer for water quality measurement. Re-trieved July 15, 2023 from: https://www.youtube.com/watch?v=FEPqcFQRkoE
ISO 10260:1992 Water Quality. Measurement of Biochemical Parameters. Spectrometric deter-mination of the chlorophyll-a concentration. (in Ukrainian).
Schiller, H., Doerffer, R. (1999). Neural network for emulation of an inverse model operational derivation of Case II water properties from MERIS data. International Journal of Remote Sens-ing, (20:9), 1735-1746. https://doi.org/10.1080/014311699212443
Brockmann, C., Doerffer, R., Peters, M., Kerstin, S., Embacher, S., & Ruescas, A. (2016). Evolution of the C2RCC Neural Network for Sentinel 2 and 3 for the Retrieval of Ocean Colour Products in Normal and Extreme Optically Complex Waters. Living Planet Symposium, (740), 54.
Soriano-González, J., Urrego, E.P., Sòria-Perpinyà, X., Angelats, E., Alcaraz, C., Delegido, J., Ruíz Verdú, A., Tenjo, C., Vicente, E., Moreno, J. (2022). Towards the Combination of C2RCC Processors for Improving Water Quality Retrieval in Inland and Coastal Areas. Remote Sensing, (14), 1124. https://doi.org/10.3390/rs14051124
Hrytsenko, A.V., Vasenko, O.H., Vernichenko H.A. et al. (2012). Methods of ecological assess-ment of surface water quality by relevant categories. Kharkiv: UkrNDIEP (in Ukrainian)
Авторське право (c) 2024 Тучковенко Ю. С., Овчарук В. А., Мартинюк М. О., Газєтов Є. І., Зотова О. В., Хохлов В. М., Jiang D., Tyler A. N.
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License 4.0 International (CC BY 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
