Прогноз изменений землепользования и покрова земель для устойчивости подземных вод в бассейне Муваттупужа с использованием CA-Markov (2033–2050)

Почему изменения в землепользовании важны для скрытой воды

Во многих тропических регионах миллионы людей получают питьевую воду из-под земли. Однако то, как мы строим города, вырубаем леса и обрабатываем землю, незаметно преобразует этот скрытый ресурс. В этом исследовании рассматривается бассейн реки Муваттупужа в южном индийском штате Керала, чтобы ответить на насущный вопрос: что происходит с качеством и надежностью подземных вод, от которых зависят местные жители, по мере урбанизации ландшафта?

Бассейн реки, быстро трансформируемый человеком

Бассейн Муваттупужа простирается от крутых лесистых холмов Западных Гат до низменных рисовых полей и лагун у Аравийского моря. Используя спутниковые снимки за 2003, 2013 и 2023 годы, исследователи отследили, как менялось землепользование и покров территории за два десятилетия. Ранее доминировали леса и сельскохозяйственные угодья, но застроенные территории — города, деревни, дороги и другие покрытые поверхности — расширялись драматично. Доля застроенных земель выросла примерно с 12 % площади бассейна в 2003 году до более чем 44 % в 2023 году, в основном за счёт замены сельхозземель и участков растительности. Одновременно сократилась площадь действительно пустующих или бесплодных земель, тогда как водные объекты и болота в целом изменились незначительно, несмотря на локальное присоединение и осушение.

Заглядывая под землю: как меняется химия воды

Чтобы понять, как эти поверхностные изменения отражаются под землёй, команда проанализировала данные подземных вод из скважин по всему бассейну за три контрольных года: 2003, 2013 и 2023. Они измеряли базовые параметры, такие как удельная электропроводность (показатель солёности или минерализации воды), растворённые твёрдые вещества, основные растворённые минералы — кальций, магний, натрий — и нитрат, который часто поступает из удобрений и сточных вод. Со временем во многих скважинах наблюдался устойчивый рост растворённых минералов и жёсткости, что указывает на усиливающуюся минерализацию водоносного горизонта. Уровни нитратов также повышались в нескольких точках, особенно рядом с урбанизированными и интенсивно обрабатываемыми территориями, сигнализируя о возрастающем влиянии хозяйственных сточных вод и сельхозхимикатов. Хотя во многих скважинах параметры всё ещё соответствовали нормам питьевой воды, вырисовывалась картина постепенного ухудшения общего качества.

От карт и статистики к сценариям будущего

Понимания тенденций недостаточно — планировщикам нужно знать, что может произойти дальше. Исследователи использовали методику CA-Markov для моделирования того, как землепользование может развиваться с 2023 по 2050 год, опираясь на наблюдаемые изменения и физические ограничения, такие как уклон, высота над уровнем моря, почвы и расстояние до дорог и рек. Их симуляции показывают, что застроенные территории продолжат распространяться до 2033 и 2043 годов, а затем рост замедлится к 2050 году, в то время как сельскохозяйственные земли и поверхностные водные объекты будут испытывать дальнейшее давление. Параллельно команда применила методы многомерной статистики к данным по подземным водам, чтобы разделить два основных фактора, формирующих качество воды: естественные процессы вымывания минералов из горных пород и антропогенные воздействия, добавляющие загрязнители на поверхность. Этот анализ показал, что солёная, минерализованная вода и нитратное загрязнение часто следуют разным шаблонам, что указывает на различные базовые причины.

Машинное обучение для выявления невидимых рисков

Исследование пошло дальше, применив алгоритмы машинного обучения, чтобы проверить, можно ли предсказать уровень нитратов — важного с точки зрения здоровья загрязнителя — по другим, более легко измеряемым параметрам воды. Модели, такие как Random Forest, Support Vector Regression и XGBoost, обучали на данных скважин, а инструмент «объяснимого ИИ» SHAP использовали, чтобы показать, какие факторы имеют наибольшее значение. Модели указывают на магний, кальций и щёлочность как ключевые влияния на уровень нитратов, что, вероятно, отражает, как естественные буферные реакции и условия по содержанию кислорода в водоносном горизонте способствуют или подавляют накопление нитратов. В то же время ограниченная предсказуемость нитратов только по общей химии воды подчёркивает, что местные землепользование, санитария и сельскохозяйственные практики остаются решающими факторами, которые необходимо контролировать напрямую.

Что это значит для людей и планирования

Для жителей и лиц, принимающих решения, послание очевидно: то, как используются земли в бассейне Муваттупужа, существенно определяет качество подземных вод ниже. Быстрый рост городов в сочетании с изменением сельского хозяйства уже привёл к увеличению содержания минералов и нитратов во многих скважинах, а прогнозируемые тенденции землепользования указывают на продолжающееся давление, если нынешние модели сохранятся. Сочетая спутниковые карты землепользования, полевые измерения и прозрачные инструменты машинного обучения, исследование предлагает практическую рамку для выявления возникающих «горячих точек» подземных вод, направления мер по защите зон питания водоносных горизонтов, улучшению управления сточными водами и удобрениями и контролю за будущей застройкой. Проще говоря, разумное планирование земель сегодня поможет сохранить колодцы завтрашнего дня чище, безопаснее и надёжнее.

Цитирование: K, A., Gautam, S., Prince Arulraj, G. et al. Forecasting land-use and land-cover change for groundwater sustainability in the Muvattupuzha basin using CA-Markov (2033–2050). Sci Rep 16, 7462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38961-2

Ключевые слова: подземные воды, урбанизация, изменение землепользования, нитратное загрязнение, Керала