Moscow State University of Civil Engineering (Graduate student)
Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Desertification is one of the most serious environmental issues affecting the sustainability of infrastructure, including facilities such as the strategic engineering projects Shamiya. The article provides a review of previous studies on desertification in Iraq and discusses their findings in the context of managing the life cycle of engineering structures. Particular attention is paid to the impact of desertification on the hydrological regime, soil conditions, and vegetation cover, which are critical for ensuring the durability and safety of structures.
desertification, life cycle management, strategic engineering facility Shamiya-Iraq, Shamiya-Iraq, geomatic monitoring
Введение
Опустынивание, определяемое как деградация земель в засушливых и полузасушливых регионах, представляет собой одну из наиболее серьезных экологических проблем современности. Согласно различным определениям, предложенным Организацией Объединенных Наций (ООН), опустынивание приводит к утрате биологического разнообразия, снижению плодородия почв и потере сельскохозяйственного потенциала земель, что напрямую угрожает продовольственной безопасности и устойчивости экосистем [1, 2]. Это явление связано как с природными факторами, такими как изменение климата и снижение количества осадков, так и с антропогенными воздействиями, включая нерациональное использование водных ресурсов, урбанизацию и устаревшие методы ведения сельского хозяйства [3, 4].
Ирак, являясь одной из стран, наиболее подверженных опустыниванию, сталкивается с серьезными экологическими, социальными и экономическими последствиями этого процесса. Ухудшение состояния земель, сокращение природных пастбищ и неэффективное управление водными ресурсами усугубляют проблему, создавая дополнительные риски для инфраструктуры, включая такие критически важные объекты, как СИО «Шамия» [5, 6]. Управление жизненным циклом подобных сооружений требует учета экологических изменений, поскольку опустынивание может привести к изменению гидрологического режима, эрозии почв и другим факторам, угрожающим устойчивости объектов.
Многие предыдущие исследования подтверждают, что большая часть территории Ирака в той или иной степени подвержена опустыниванию [7, 8]. Однако меры, принимаемые для борьбы с этим явлением, зачастую недостаточны. В данной работе рассматривается центральный регион Ирака, где расположено СИО «Шамия», как пример территории, где экологические изменения оказывают значительное влияние на инфраструктуру. Использование современных методов мониторинга, таких как геоинформационные системы (ГИС) и индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), позволяет оценить динамику опустынивания и его последствия для управления жизненным циклом инженерных сооружений.
Интеграция данных экологического мониторинга в систему управления жизненным циклом объектов, таких как СИО «Шамия», обеспечивает возможность прогнозирования рисков и принятия своевременных мер для минимизации негативных последствий. В данной статье представлены результаты анализа опустынивания в центральном Ираке и обсуждаются подходы к улучшению управления инфраструктурой в условиях изменяющейся окружающей среды.
Обзор предыдущих исследований
Исследование Zuhair Farooq Ahmed Fart. В исследовании, посвященном опустыниванию в Ираке, автор отмечает, что процесс опустынивания значительно ускорился в период с 2000 по 2020 год. Основными причинами стали климатические изменения, снижение уровня осадков, деградация пастбищ и урбанизация, что привело к увеличению засоленности почв и сокращению растительного покрова. Эти факторы напрямую влияют на устойчивость инфраструктуры, включая гидротехнические сооружения, такие как СИО «Шамия», так как изменение состояния почв и растительности может привести к изменению гидрологического режима и увеличению нагрузки на сооружения [9].
Исследование Hussein K. Eulewi. Автор подчеркивает, что климатические колебания в Ираке привели к усилению опустынивания, особенно на сельскохозяйственных землях. Проблема засоления почв, начавшаяся в 1980-х годах, продолжает усугубляться, что создает дополнительные риски для инфраструктуры. Для СИО «Шамия» это означает необходимость учета изменений в состоянии окружающей среды при планировании технического обслуживания и ремонта [2].
Исследование Ayad Mohammed Fadhil. Используя геоинформационные технологии, автор исследовал деградацию земель в верхней части равнины Ирака. Результаты показали, что опустынивание особенно сильно затронуло центральные и южные регионы страны. Применение пяти индикаторов, связанных с растительностью, почвой и водой, позволило оценить масштабы проблемы в период с 1990 по 2000 год. Эти данные могут быть использованы для прогнозирования рисков, связанных с изменением окружающей среды, и интеграции их в систему управления жизненным циклом объектов, таких как СИО «Шамия» [10].
Исследование Abdul Ghafoor Ahmad Al-Saidia и Siham Kamil Al-Jumaialib. Авторы отмечают, что степень опустынивания в Ираке достигла 75% от общей площади земель, особенно в сельскохозяйственных регионах. Это привело к увеличению засоленности почв, ухудшению растительного покрова и образованию песчаных дюн, что, в свою очередь, вызвало исчезновение многих видов растений и животных. Для СИО «Шамия» такие изменения означают необходимость адаптации системы управления к новым экологическим условиям, включая учет изменений в гидрологическом режиме и состоянии почв [11].
Важность и цели исследования
Опустынивание представляет собой серьезный вызов для управления жизненным циклом инженерных сооружений, таких как СИО «Шамия». Интеграция данных экологического мониторинга в систему управления позволяет прогнозировать риски и принимать своевременные меры для обеспечения устойчивости объектов. Результаты исследования подчеркивают необходимость дальнейшего изучения влияния опустынивания на инфраструктуру и разработки адаптивных стратегий управления.
Требования к данным
Для проведения исследования использовались спутниковые снимки, программное обеспечение геоинформационных систем (ГИС) и индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). В рамках исследования применялись спутниковые изображения, полученные с помощью операционного наземного сканирующего сенсора (Landsat 8), предоставленные Геологической службой США (USGS). Данные имеют пространственное разрешение 30 метров и включают видимый, ближний инфракрасный (NIR) и коротковолновый инфракрасный диапазоны. Изображения охватывают период с 1984 по 2021 год и были геометрически скорректированы в соответствии с проекцией UTM-WGS84 Zone 38 N. Ключевые аспекты:
- Источники данных: Спутниковые снимки Landsat 8, предоставленные USGS.
- Характеристики данных: Пространственное разрешение 30 метров, спектральные диапазоны (видимый, ближний и коротковолновый инфракрасный).
- Обработка данных: Геометрическая коррекция и приведение к проекции UTM-WGS84 Zone 38 N.
Нормализованный разностный индекс растительности (NDVI)
Нормализованный разностный индекс растительности (NDVI) является стандартизированным показателем, который позволяет визуализировать относительную биомассу растительного покрова. Индекс NDVI широко применяется для выявления засушливых зон, мониторинга и прогнозирования сельскохозяйственной продуктивности, а также создания карт распространения опустынивания. Кроме того, NDVI является эффективным инструментом для оценки рисков опустынивания и отслеживания изменений в растительном покрове на основе спектральной отражательной способности земной поверхности [12].
Уравнение NDVI
Документированное и стандартное уравнение NDVI имеет следующий вид:
где:
- (IR) — значения пикселей в инфракрасном диапазоне;
- (R) — значения пикселей в красном диапазоне.
Интерпретация значений NDVI
- Значения NDVI менее 0,1 соответствуют участкам песка, камней или снега.
- Значения в диапазоне от 0,2 до 0,3 указывают на луга или участки с низкорослыми кустарниками.
- Значения от 0,6 до 0,8 характерны для густых лесов или садов [13].
Уравнение, используемое в ArcGIS
Для генерации выходных данных в ArcGIS применяется следующее уравнение:
Область исследования
Район исследования расположен в центральной части Ирака, которая является одной из наиболее плодородных сельскохозяйственных зон, зависящих от речного орошения. Он охватывает территории между мухафазами Дивания, Наджаф, Кербела, Бабиль, Васит и Мутанна. Для анализа использовались спутниковые снимки Landsat с пространственным разрешением 30 × 30 метров, охватывающие координаты: запад — 43.440741, восток — 45.901543, север — 32.797291, юг — 30.671476. Общая площадь исследуемой территории составляет 50 437 611,9 квадратных километров, как показано на Рис. 1.
Данная область была выбрана для исследования, поскольку она включает наиболее плодородные земли аллювиальной равнины Ирака, где выращиваются такие культуры, как рис, пшеница и ячмень, а также расположены пальмовые рощи, сады и другие сельскохозяйственные угодья. Кроме того, этот район обслуживается СИО «Шамия», что делает его ключевым для анализа влияния экологических изменений на инфраструктуру.
Рис. 1. Спутниковое изображение, охватывающее область исследования,
расположенную в центральном Ираке
Расчеты и результаты
В данном исследовании использовались многозональные спутниковые изображения Landsat 8, охватывающие область исследования (аллювиальная равнина в центральном Ираке), с пространственным разрешением 30 × 30 метров и общей площадью 50 437 611,9 квадратных километров. Изображения были загружены с сайта Геологической службы США (USGS), после чего был выполнен процесс объединения слоев на основе спектральной отражательной способности. С использованием программного обеспечения геоинформационных систем (ГИС) было создано изображение области исследования, как показано на Рис. 2.
Рис. 2. Изображение области исследования, загруженное с сайта USGS за 2021 год,
после обработки и объединения спектральных отражательных слоев с использованием программы ГИС
Выбранные изображения были наиболее четкими и охватывали период с 1984 по 2021 год, включая снимки за годы (1984, 1985, 1993, 2003, 2014 и 2021). Каждое изображение было геометрически скорректировано отдельно с использованием программы ГИС в соответствии с проекцией UTM-WGS84 Zone 38 N.
Затем к каждому изображению было применено уравнение индекса NDVI на основе диапазонов спектральной отражательной способности видимого инфракрасного диапазона (R) полосы № 3 (0,63–0,69 мкм) и ближнего инфракрасного диапазона (IR) полосы № 4 (0,77–0,90 мкм). Была выполнена процедура ручной классификации значений отражательной способности, рассчитанных по указанному уравнению, для выделения различных типов растительности и четкого обозначения зеленых зон. Зоны с значениями NDVI от 0,1 до 0,2 соответствуют травянистым участкам, а значения от 0,6 до 0,8 — лесам и садам, как показано на Рис. 3–8.
Рис.3. Изображение с использованием индекса NDVI за 1984 год
Рис. 4. Изображение с использованием индекса NDVI за 1985 год
Рис. 5. Изображение с использованием индекса NDVI за 1993 год
Рис. 6. Изображение с использованием индекса NDVI за 2003 год
Рис. 7. Изображение с использованием индекса NDVI за 2014 год
Рис. 8. Изображение с использованием индекса NDVI за 2021 год
Затем полученные изображения были проанализированы с использованием индекса NDVI и было рассчитано количество зеленых зон для лугов, земель, покрытых лесами и садами. Результаты показаны в Таблице 1 и на Рис. 9.
Таблица 1
Размеры зеленых зон на изображениях, полученных с использованием индекса NDVI
|
Год |
Индекс NDVI |
||
|
Луга, км2 |
Леса и сады, км2 |
Всего, км2 |
|
|
1984 |
690852 |
492745 |
1453597 |
|
1985 |
1063030 |
538594 |
1601624 |
|
1993 |
1228000 |
1286950 |
2514950 |
|
2003 |
1237600 |
1327070 |
2564670 |
|
2014 |
1993700 |
1053040 |
3046740 |
|
2021 |
1103790 |
49164.3 |
1152954 |
Рис. 9. Значения индекса NDVI, рассчитанные за период с 1984 по 2021 год.
Синий столбец — луга, оранжевый столбец — леса и сады,
красная линия показывает общий растительный покров исследуемой области
Обсуждение и выводы
Индекс NDVI является важным инструментом для оценки рисков опустынивания, мониторинга изменений в растительном покрове и анализа состояния засушливых территорий. В данном исследовании метод расчета и создания цифровых изображений с использованием индекса NDVI был применен для анализа динамики изменений на исследуемой территории, которая напрямую зависит от водных ресурсов, регулируемых СИО «Шамия», за период с 1984 по 2021 год. Результаты исследования показали, что в период с 1984 по 2014 год наблюдался значительный рост растительного покрова, что составило 52% от общей площади зеленых зон. Однако с 2014 по 2021 год произошло резкое сокращение зеленых зон на 62%, что свидетельствует о начале процесса опустынивания.
Важность данного исследования для управления жизненным циклом инженерных сооружений, в частности СИО «Шамия», заключается в том, что изменения в растительном покрове и водном балансе напрямую влияют на структурную устойчивость и функциональность гидротехнических объектов. Исследуемая территория, зависящая от водных ресурсов СИО «Шамия», демонстрирует, как экологические изменения могут оказывать долгосрочное воздействие на инфраструктуру. Уменьшение растительного покрова и увеличение засушливых территорий могут привести к изменению гидрологического режима, что, в свою очередь, может повлиять на нагрузку на сооружение и его структурную целостность. Это подчеркивает необходимость интеграции экологического мониторинга в процессы управления жизненным циклом инженерных сооружений.
Основными причинами наблюдаемых изменений являются антропогенные факторы, такие как изменение режима водопользования, сокращение сельскохозяйственной деятельности и последствия военных действий, начавшихся в 2014 году. Война против терроризма в Ираке привела к перераспределению государственных ресурсов, что негативно сказалось на управлении водными ресурсами и сельским хозяйством. Это, в сочетании с зависимостью территории от орошения речными водами, привело к ускорению процессов опустынивания.
С точки зрения управления жизненным циклом инженерных сооружений, данное исследование подчеркивает необходимость учета экологических и социально-экономических факторов при проектировании, эксплуатации и обслуживании таких объектов, как СИО «Шамия». Устойчивость сооружения и его способность выполнять свои функции в долгосрочной перспективе зависят от состояния окружающей среды, включая растительный покров и водный баланс. Поэтому важно внедрять научно обоснованные меры, такие как улучшение управления водными ресурсами, использование современных технологий мониторинга и поддержка сельскохозяйственного сектора.
Ключевым инструментом для предотвращения дальнейшей деградации территории является использование ГИС-технологий и регулярный мониторинг на основе индекса NDVI. Это позволяет точно оценивать изменения в растительном покрове, своевременно выявлять риски и принимать меры для их устранения. Интеграция экологического мониторинга в процессы управления жизненным циклом инженерных сооружений обеспечивает не только их устойчивость, но и способствует сохранению экосистем и социально-экономическому развитию региона.
В заключение следует отметить, что предотвращение опустынивания и восстановление деградированных территорий являются сложными задачами, требующими комплексного подхода. Управление жизненным циклом инженерных сооружений, таких как СИО «Шамия», должно включать не только технические аспекты, но и экологические, социальные и экономические компоненты. Это позволит обеспечить долгосрочную устойчивость инфраструктуры и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду. Данное исследование демонстрирует, что своевременное выявление экологических рисков и их учет в процессах управления являются ключевыми факторами для обеспечения устойчивого развития региона и сохранения функциональности критически важных инженерных объектов.
1. Eulewi, H. The Standard method of analyzing variables and explaining the reasons for low areas and production through standard analysis / H. Eulewi, S. Eassa, A. Abbas, A. Naieli // Journal of University of Kerbala. – 2017. – Vol. 15. – No. 4.
2. Eulewi, H. The phenomenon of desertification in Iraq and its environmental impacts on middle and southern Iraq, Babil Governorate, as a model // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2020. – Vol. 722.
3. UNCCD Fact sheets on UNCCD. – 2004. – URL: http://www.unccd.int/publicinfo/factsheets/menu.php.
4. WMO World meteorological organization – World Day to combat desertification. Climate and land degradation. – WMO-No. 989. – Geneva. Switzerland, 2006.
5. FAO The impact of disasters and crises on agriculture and food security:2021 / 2021. – DOIhttps://doi.org/10.4060/cb3673en.
6. Katyal, Jagdish C.; Vlek, Paul L. G. Desertification – concept, causes and amelioration // ZEF- Discussion papers on development policy, Bonn, Germany, 2000. – No. 33. – URL: https://hdl.handle.net/10419/84771
7. Drought Impact Assessment, Recovery and Mitigation Framework and Regional Project Design in Kurdistan Region (KR) / United Nations Development Programme - IRAQ. – 2010. – Pp. 1-77.
8. Kubba, S. Agriculture in the Iraq of Sustainable Human Development. 2008. – URL: http://www.al-nnas.com/ARTICLE/SKuba/index.html
9. Fartm, Z. Desertification in Iraq and how to Combatit // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. – 2020. – № 553(1):012033 – DOIhttps://doi.org/10.1088/1755-1315/553/1/012033. EDN: https://elibrary.ru/KKQVLM
10. Fadhil, A. Land Degradation Detection Using Geo-Information Technology for Some Sites in Iraq / A. Fadhil // Journal of Al-Nahrain University. – 2009. – Vol. 12(3). – DOIhttps://doi.org/10.22401/JNUS.12.3.13.
11. Al–Saidia, A., Al-Jumaialib S. Economic costs and consequences of desertification in Iraq // Global Journal of Political Science and Administration. – 2013. – Vol. 1. – No. 1. – Pp. 40-45. URL: https://eajournals.org/gjpsa/vol-1-issue-1-september-2013/economic-costs-consequences-desertification-iraq/
12. Dagnachew M., Kebede A., Moges A., Abebe A. Effects of climate variability on normalized difference vegetation index (NDVI) in the Gojeb river catchment, omo-gibe basin, Ethiopia // Advances in Meteorology. – 2020. – Vol. 2020(13):16. – DOI https://doi.org/10.1155/2020/8263246. EDN: https://elibrary.ru/NTJAJW
13. ESRI GIS program 10.4.1 guide. NDVI function / Esri, 2016. – URL: https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.4/get-started/setup/arcgis-desktop-quick-start-guide.htm.
