1 Įžanga
Šio darbo tikslas - pagal 2023 m. Sentinel-2 palydovines nuotraukas atvaizduoti galimą antropogeninį poveikį vandens telkiniams pagal tikėtinas chlorofilo „a“ koncentracijas. Tikėtinos chlorofilo „a“ koncentracijos nustatomos iš palydovinių nuotraukų, jas apdorojant dirbtinio intelekto dėka suformuotais specializuotais algoritmais, parengtais Aplinkos apsaugos agentūros vykdyto projekto Nr. LT05-1-AM-TF-002 „Jūros ir vidaus vandenų ekologinės būklės kartografavimo ir monitoringo gerinimas“ (toliau - Projektas), finansuojamo 2014-2021 metų Norvegijos finansinio mechanizmo programos „Aplinkosauga, energetika ir klimato kaita“ lėšomis (plačiau apie projektą ir jo rezultatus galima pasiskaityti čia).
2 Metodika
Palydoviniai duomenys buvo kraunami ir apdorojami už 2023 m. vegetacijos sezoną (balandžio - spalio mėnesius). Preliminarus antropogeninis poveikis vandens telkiniams pagal chlorofilą „a“ prognozuotas tiek pagal apibendrintus vidutinius vegetacinio periodo duomenis (Baltijos jūra, Kuršių marios, ežerai ir tvenkiniai), tiek pagal momentines konkrečios datos vertes (tik ežerai ir tvenkiniai). Iš momentinių duomenų taip pat paskaičiuota kiek kartų per metus antropogeninis poveikis kiekviename telkinyje galėjo būti reikšmingas.
Pažymėtina, kad chlorofilo „a“ įverčiai galimai atspindi tik vieno vandens kokybės elemento fitoplanktono indekso (toliau – EFPI), kuris naudojamas ežerų ir tvenkinių ekologinės būklės vertinimui, sudėtinę dalį. Yra žinoma, kad chlorofilo „a“ ir EFPI vertės gerai koreliuoja. Chlorofilo „a“ koncentracija dažniausiai pakankamai gerai atspindi antropogeninį poveikį vandens telkiniams, nors aukštos chlorofilo vertės gali būti ir dėl nepalankių natūralių gamtinių procesų, kaip, pavyzdžiui, natūralus vandens telkinio senėjimas ir pan. Dėl šios priežasties palydovinių duomenų dėka nustatyti galimai probleminiai vandens telkiniai turi papildomai būti įvertinti ekspertiškai, įskaitant papildomos vietinės informacijos surinkimą apie galimus taršos šaltinius, papildomus tyrimus ir pan. Atkreipiame dėmesį, kad vandens telkinių būklė vertinima integruotai iš visų ekologinės būklės kokybės elementų (fitoplanktono, fitobentoso, makrofitų, dugno bestuburių, žuvų, fizikinių-cheminių ir hidromorfologinių) įverčių, nustatytų vadovaujantis valstybinio monitoringo tyrimų duomenimis bei atitinkamais vertinimo kriterijais ir aprašais, nurodytais Paviršinių vandens telkinių būklės nustatymo metodikoje, su kuria detaliau galima susipažinti čia.
Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta aukščiau, aukščiau nurodytoje būklės vertinimo metodikoje chlorofilo a 5 būklės klasių ribų vertės naudotos ne telkinių būklei įvertinti, bet indikacijai apie galimą antropogeninio poveikio arba nepalankių natūralių procesų stiprumą. Labai gera, gera, vidutinė, bloga ir labai bloga būklės klasės čia užvadintos kaip atitinkamos poveikių skalės: Nėra; Nereikšmingas; Mažas; Reikšmingas; ir Stiprus. Poveikius atspindintys kriterijai pagal chlorofilo a koncentracijas pateikiami žemiau (žr. Lentelė 1).
Lentelė 1: Būklės klasių ribos pagal ežero tipus pagal chlorofilo a:
| Poveikis | P1 | P2 | P3_P4 | S1 | S2 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nėra | <7,2 | <11,9 | <9,7 | <6,9 | <4,8 |
| Nereikšmingas | 7,2 - 13,2 | 11,9 - 24,8 | 9,7 - 17,8 | 6,9 - 12,0 | 4,8 - 8,6 |
| Mažas | 13,2 - 24,3 | 24,8 - 51,2 | 17,8 - 32,9 | 12,0 - 21,0 | 8,6 - 15,3 |
| Reikšmingas | 24,3 - 44,8 | 51,2 - 106,5 | 32,9 - 61 | 21,0 - 36,5 | 15,3 - 27,3 |
| Stiprus | >44,8 | >106,5 | >61 | >36,5 | >27,3 |
| P1 | P2 | P3_P4 | S1 | S2 |
|---|---|---|---|---|
| <12,0 | <22,0 | <17,0 | <15,0 | <9,0 |
| 12,0 - 24,0 | 22,0 - 41,0 | 17,0 - 33,0 | 15,0 - 25,0 | 9,0 - 16,0 |
| 24,0 - 45,0 | 41,0 - 78,0 | 33,0 - 63,0 | 25,0 - 42,0 | 16,0 - 28,0 |
| 45,0 - 87,0 | 78,0 - 145,0 | 63,0 - 120,0 | 42,0 - 70,0 | 28,0 - 50,0 |
| >87,0 | >145,0 | >120,0 | >70,0 | >50,0 |
Poveikio stiprumo kriterijai skiriasi priklausomai su vadinamųjų fitoplanktoninių ežerų tipų (žr. Lentelė 2), kurie išskiriami iš esmės pagal vandens apsikeitimo greitį ir tūrį atspindinčias charakteristikas (Ežero tūrio santykis su baseino plotu (VQ), vidutinį gylį, pratakumą) bei pagal priklausomybę tipams, išskirtiems pagal Direktyvos 2000/60/EB (BVPD) reikalavimus
| BVPD tipas | Fitoplanktoninis tipas | Rodikliai |
|---|---|---|
| II - III | S1 | VQ < 1,5 |
| II - III | S2 | VQ > 1,5 |
| I | P1 | VQ < 1,5 |
| I | P2 | VQ > 1,5; vidutinis gylis < 3m; pratakumas <1210% |
| I | P3 | VQ > 1,5; vidutinis gylis ≥ 3m; pratakumas <1210% |
| I | P4 | VQ > 1,5; pratakumas > 1210% |
Duomenys ežerams buvo siunčiami iš nuotraukų blokų, kuriose debesuotumas galėjo siekti net iki 99 %. Tuo siekta “pagauti” maksimalų kiekį vandens telkinių ar jų dalių kiekvieną dieną, kai buvo nuotraukų, ir taip išnaudoti visas įmanomas galimybes, kurias suteikia palydoviniai duomenys poveikiams identifikuoti. Tačiau tai taip pat gali reikšti, kad kai kurios vertės gali būti nereprezentatyvios ar šiek tiek iškritusios iš konteksto, jeigu galimas poveikis įvertinamas tik mažoje telkinio dalyje, kuri ženkliai skiriasi nuo likusios akvatorijos. Dėl šios priežasties, jeigu nustatomos aukštos vertės, visada bus reikalingas ekspertinis žvilgsnis, įvertinantis ir tai, kokia akvatorijos dalis buvo prieinama nuotraukoje. Baltijos jūroje ir Kuršių mariose tikslai buvo šiek tiek kiti - parenkant nuotraukas analizei buvo siekiama, kad didžioji dalis šių telkinių akvatorijos būtų nepadengta debesimis, kad rezultatai būtų pakankamai reprezentatyvūs.
3 Duomenų bendroji apžvalga
Per visą 2023 m. vegetacijos sezoną (balandžio - spalio mėnesiais) panaudoti 178 dienų iš 214 galimų t.y. 83.18 % viso laikotarpio nuotraukų duomenų. Iš viso per visą 2023 m. vegetacijos sezoną surinkta informacija apie 3348 vandens objektus (ežerus, tvenkinius, Baltijos jūrą ir Kuršių marias), kas sudaro 99.85 % visų > 1 ha ploto Upių, ežerų ir tvenkinių kadastro (toliau - UETK) vandens objektų, arba 83.78 % visų atitinkamų UETK vandens objektų (įskaitant < 1 ha).
Iš viso per 2023 m. laikotarpį (vegetacijos periodą) surinkta 121240 (chlorofilo a koncentracijų verčių t.y. duomenų eilučių duomenų bazėje). Tačiau dėl skirtingo atskirų ežerų prieinamų nuotraukų skaičiaus ir nevienodo debesuotumo sąlygų surinktos informacijos kiekis apie kiekvieną šalies vandens objektą yra nevienodas ir gana smarkiai varijuoja (žr. Paveikslas 1). Dauguma vandens objektų nuotoliniu būdu ištirta 30 - 45 kartų ribose (vidutiniškai - 36).
4 Vidutinių sezoninių duomenų analizė
Išvedus kiekvienam vandens objektui 50 procentilio chlorofilo a koncentracijų sezoninį vidurkį ir pagal jo vertę bei metinius poveikio kriterijus (žr. Lentelė 1 a dalį) nustačius galimą poveikio klasę nustatyta, kad maždaug 53 % vandens objektų galimai gali patirti ar patyrė praeityje pakankamai reikšmingą žmogaus veiklos poveikį, kai tuo tarpu stiprus poveikis gali pasireikšti 4 % vandens objektų (žr. Paveikslas 2 ir Paveikslas 3). Galimai paveiktų ir nepaveiktų vandens objektų erdvinis pasiskirstymas pateiktas interaktyviame žemėlapyje (žr. Paveikslas 4), o šiuo aspektu preliminariai įvertintų vandens objektų sąrašas - atskiroje lentelėje (žr. Lentelė 3).
5 Momentinių duomenų analizė
Analizuojant momentinius duomenis žiūrima į kokią poveikio klasę vandens objektas patenka kiekvieną pasirinktą datą, o tada skaičiuojama kiek dažnai į atitinkamą klasę jis pateko, kokia klasė vyravo ir kiek kartų buvo viršytas pasirinktas poveikio reikšmingumo slenkstis. Tokia informacija leidžia papildomu pjūviu šalia vidutinių sezoninių duomenų įvertinti galimą telkinio problemiškumą, žmogaus veiklos poveikio galimą intensyvumą.
Čia pasižiūrėti 2 galimi poveikio stiprumo slenksčiai - skaičiuoti atvejai, kai poveikis pasiekė mažo ir didesnio poveikio lygį, ir atvejai, kai viršytas tik reikšmingo ir didesnio poveikio lygiai. Bent kartą mažo poveikio lygį buvo viršiję didžioji dauguma vandens objektų (99.7 %). Reikšmingo poveikio lygį bent kartą perkirto taip didelė dalis vandens objektų (84.1 %). Vistik vienkartinis viršijimas dar savaime neindikuoja kažkokios problemos. Šiuo atveju svarbesnis yra viršijimų dažnio rodiklis. Dažniausiai pasitaikė 5-17 kartų peržengiama mažo (ir didesnio) poveikio riba (žr. Paveikslas 5), kai reikšmingo poveikio riba buvo dažniausiai peržengiama 2-5 kartus (žr. Paveikslas 6).
Žvelgiant į poveikio klasių pasikartojimą matyti, kad kažkokio lygio poveikis galimai egzistuoja bent pusėje duomenų aibės (47.93 %), tačiau reikšmingas ir stiprus poveikis - tik 10.6 % atvejų (Paveikslas 7 ir Paveikslas 8).
Skaičiuojant poveikio klasių pasikartojimą visoje duomenų aibėje vaizdą gali kiek iškreipti vandens telkiniai, kurie stebėti dažniau. Todėl kitas būdas situacijai vertinti - išskirti kiekviename telkinyje vyraujančia poveikio klasę. Tas padaryta, tačiau priimant, kad jeigu prasčiausios daugiausiai pasikartojančios klasės rodiklis lygus geresnės klasės rodikliui, vyraujančia klase laikoma geresnė klasė (vertinimas į “geresnę pusę”). Visgi rezultatas gaunamas gana panašus, išskyrus tai, kad stiprus poveikis beveik niekad nevyrauja ir šiek tiek didesnė dalis tenka nereikšmingam poveikiui (Lentelė 4). Kažkokio lygio poveikis pagal šį analizės pjūvį galimai paliečia 41 % telkinių.
| Vyraujantis poveikis | Atvejai | Atvejai % |
|---|---|---|
| Nereikšmingas | 1543 | 46 |
| Mažas | 1299 | 39 |
| Nėra | 421 | 13 |
| Reikšmingas | 77 | 2 |
| Stiprus | 8 | 0 |
| Nėra duomenų | 5 | 0 |
Detaliai susipažinti su poveikio klasių pasikartojimu ir vyraujančia klase kiekvienam telkiniui galima lentelėje apačioje (Lentelė 5).
6 Chlorofilo a koncentracijų pasiskirstymas
Be skirstymo į poveikio klases naudinga įvertinti ir nuotoliniu būdu nustatytų chlorofilo a koncentracijų intervalą, išsibarstymą, dažniausias vertes. Vienas būdas yra įvertinti šį išsibarstymą pagal procentilius, tiek momentiniams, tiek ir vidutiniams metiniams duomenims (Paveikslas 9). Natūralu, kad prie didesnių procentilių gaunamas ir aukštesnių verčių intervalas. Momentinių duomenų išsibarstymo intervalai yra platesni nei metinių, tačiau medianinės vertės ties kiekvienu procentiliu yra šiek tiek žemesnės. Pagal momentines vertes, priklausomai nuo procentilio, dažniausių verčių intervalas yra 12-73 mkg/l, o pagal vidutines metines - 17-65 mkg/l. Medianinės vertės ties 50 procentiliu yra atitinkamai 27 ir 30 mkg/l. Įvertinant išskirtis, pagal metinius duomenis jos maksimaliai siekia iki ~ 103 mkg/l (nuo 67 iki 103 mkg/l priklausomai nuo procentilio), o pagal momentinius - iki 154 mkg/l (nuo 130 iki 154 mkg/l priklausomai nuo procentilio).
Apžvelgiant chlorofilo a koncentracijų išsibarstymą pagal ežerų fitoplanktoninius tipus, palyginimo tikslais įtraukiant kaip atskirą tipą ir Baltijos jūrą bei Kuršių marias (čia žymimas kaip BJM),matyti, kad išsibarstymo vertės aukštėja judant link tipų, kuriems būdingos aukštesnės poveikio klasių ribinės vertės (“laisvesnės”). Iliustracijoje tipai išrikiuoti didėjančia ribinių verčių kryptimi (Paveikslas 10). Šiai krypčiai “nepaklūsta” tik S2 ir S1 tipai, tačiau kol kas sunku daryti kažkokias išvadas dėl to.
7 Nuotraukų pavyzdžiai
Žemiau pateikiami apkarpytų Baltijos jūros ir Kuršių marių Lietuvos akvatorijų apdorotų, klasifikuotų (su nustatytomis chlorofilo a koncentracijomis) ir kategorizuotų (su priskirtomis poveikio klasėmis) nuotraukų pavyzdžius (žr. Paveikslas 11, Paveikslas 12 ir Paveikslas 13).
8 Išvados
- Per 2023 m. vegetacijos sezoną (balandis-spalis) panaudota 83.18 % viso laikotarpio nuotraukų duomenų (178 dienų iš 214 galimų);
- Per šį laikotarpį surinkta informacija apie 3348 vandens objektus - 99.85 % visų > 1 ha ploto ir 83.78 % absoliučiai visų UETK kadastro vandens objektų (ežerų ir tvenkinių). Tai reiškia, kad 2023 m. Projekto rodiklis (70 % UETK ežerų ir tvenkinių ištirtumas per metus) ne tik kad pasiektas, bet ir viršytas;
- 2023 m. vegetacijos periodu surinkta 121240 duomenų įrašų duomenų bazėje (prognostinių chlorofilo a koncentracijų), kas vidutiniškai sudarė 36 “nuotolinių matavimų” 1 ežerui. Valstybinis monitoringas atliekamas 4 k./metus, 1-2 k./6 metus;
- 2023 m. vidutiniai sezono duomenys rodo, kad iki 53 % UETK vandens objektų (> 1 ha) galimai gali patirti ar praeityje patyrė pakankamai reikšmingą žmogaus veiklos poveikį, kai tuo tarpu stiprus poveikis galėjo pasireikšti 4 % vandens objektų. Ši proporcija iš esmės atitinka rizikos ežerų ir tvenkinių (> 50 ha ploto) dalį (64 %);
- Pagal momentinius 2023 m. duomenis reikšmingo poveikio klasių pasikartojimas buvo ženkliai mažesnis nei pagal vidutinius duomenis - 9.75 % prieš 53 %;
- Maksimalios (95 procentilio) momentinės chlorofilo a koncentracijos siekė 154 mkg/l, o vidutinės metinės - 103 mkg/l. Tokios vertės atitinka išskirtis;
- Dažniausių momentinių verčių intervalas buvo 12-73 mkg/l, o vidutinių metinių - 17-65 mkg/l (priklausomai nuo procentilio);
- Medianinės chlorofilo a koncentracijų vertės ties 50 procentiliu buvo atitinkamai 27 mkg/l momentiniams ir 30 mkg/l vidutiniams metiniams duomenims.