Александр Потапов, Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, e-mail: al_ptv@mail.ru
Исследования, проведенные за последние 20 – 30 лет показали, что в большинстве жилых/офисных помещений в городе существуют те или иные экологические проблемы. Проводя значительную часть своей жизни в помещении, человек постоянно подвергается воздействию целого ряда экологических факторов: химических, физических, микробиологических, многие из которых представляют реальную угрозу его здоровью. К физико-экологическим факторам обычно относят ионизирующие излучения (радиацию), электромагнитные поля (ЭМП), а также шумы [1 — 3].
Характерной особенностью физико-экологических факторов является их высокая пространственная изменчивость в пределах одного здания или даже этажа. В связи с этим, при проведении комплексных физико-экологических исследований требуется наглядно и геометрически точно представить результаты измерений физических полей, то есть создать специализированные карты экологической обстановки внутри зданий.
Эта задача с использованием платформы ArcGIS была решена на кафедре Рационального природопользования географического факультета МГУ в ходе комплексного физико-экологического обследования ряда экспозиционных залов Музея землеведения Московского университета.
Необходимость проведения экологического мониторинга помещений музея была вызвана тем, что в его экспозиции находится большое количество образцов горных пород и минералов, в том числе и с повышенным содержанием природных радионуклидов. Кроме того, в технических помещениях проходят многочисленные электрические кабели, работают системы вентиляции и водоснабжения. Все это вызывало обоснованную озабоченность, т.к. в музее проводятся экскурсии со школьниками и занятия со студентами.
Первым шагом к проведению физико-экологического обследования стало создание трехмерной электронной модели здания в среде ArcGIS на основе инженерно-строительной документации, важным элементом которой являлась информация о расположении источников экологической опасности.
Создание специализированных ГИС помещений очень часто затруднено тем, что исходная техническая документация требует уточнений из-за перепланировки. Отдельную проблему представляет и интеграция в модель данных об источниках потенциального загрязнения (системы электроснабжения здания и т.д.), поскольку они могут отсутствовать на строительных чертежах.
Существенным преимуществом ArcGIS перед традиционными программными пакетами, используемыми для моделирования строительных сооружений (AutoCAD, ArchiCAD) является возможность последующего использования этой системы не только для сугубо инженерно-экологических задач, но и как эффективного средства управления экспозицией музея, работы с базой данных экспонатов, проведения виртуальных экскурсий и т.д.
На рис. 1 приведен внешний вид этой модели, визуализированный с помощью модуля ArcGIS 3D Analyst, цветом показаны элементы помещения: стены – серым, оконные проемы — голубым, экспозиционные витрины – зеленым и т.д. Трехмерное представление данных служит не только для улучшения визуализации. Оно особенно важно для обеспечения проведения работ на нескольких этажах, например для того, чтобы двухмерные карты этажей находились в единой системе координат.
Рис. 1. Внешний вид трехмерной геоинформационной модели одного из этажей Музея, созданной с помощью ArcGIS 3D Analyst.
Следующим шагом является определение количества и плотности расположения точек измерений физических полей, исходя из конкретных особенностей помещения. Наиболее удобным для последующего анализа является расположение точек в узлах регулярной сетки с малым размером ячейки. Но внутри зданий в непрерывном поле точек неизбежно появление разрывов, связанных с шахтами лифтов, балконами, балюстрадами и другими межэтажными многоуровневыми архитектурными конструкциями.
Для разных физических факторов необходимая густота опробования различна (для ЭМП она максимальна, для радиации – зависит от наличия потенциальных источников, для шума – минимальна). Поэтому, чтобы избежать работы с независимыми сетями измерений, при проведении практических изысканий целесообразно пользоваться единой достаточно густой сетью точек, а вопрос о проведении измерений в данном конкретном месте решать в зависимости от специфики изучаемого фактора. Помимо удобства, такой подход обеспечивает возможность расчета интегрального показателя загрязнения для тех точек, где проведены замеры всех контролируемых факторов.
Третьим этапом работ является переход в среде ArcGIS от параметров, измеренных в отдельных точках, к непрерывному полю значений с помощью методов математической интерполяции. Встроенные функции модуля Spatial Analyst формируют Grid- матрицу значений искомого параметра, являющуюся одним из основных элементов содержания итоговой карты физико-экологической ситуации. В ряде случаев для лучшей визуализации результатов измерений предпочтительней использовать не грид, а построенные на его основе изолинии.
На этом этапе работы может возникнуть ряд сложностей, связанных с некорректным восприятием программным обеспечение разрывов в непрерывной сети измерений или при наличии высоких градиентов величины (что характерно в первую очередь для ЭМП). Эти трудности можно преодолеть путем создания гридов для отдельных участков здания (этажа) с дальнейшей их сшивкой и сгущением сети точек измерений в непосредственной близости от источника физического загрязнения, где перепады интенсивностей физических полей максимальны.
Заключительным этапом является проведение пространственного анализа результатов измерений, определение границ экологически неблагоприятных зон, выявление ранее неучтенных источников загрязнения и т.д. Пример карты радиационной обстановки приведен на рис. 2. Анализ карты показывает, что несмотря на имевшиеся опасения радиационная обстановка во всех помещениях музея оказалась полностью соответствующей санитарным нормам и незначительно отличающейся от естественного фона (максимальные значения не превышали 15 мкР/ч).
Рис. 2. Результаты радиационно-экологического обследования помещений.
Вместе с тем, в пространственной структуре слабых вариаций уровней радиации были выявлены несколько повышенные уровни мощности экспозиционной дозы гамма-излучения у витрин, содержащих радиоактивные образцы с редкоземельными элементами. Отдельные крупногабаритные экспонаты (глыбы гранита) также формировали вокруг себя ореолы слегка повышенного фона на расстоянии до 2 м.
С помощью созданной карты радиационной обстановки были обнаружены также два высокорадиоактивных экспоната, ранее считавшихся безопасными. В местах их расположения значения мощности экспозиционной дозы гамма излучения не должны были быть повышенными, исходя из перечня экспонатов, но после проведения дополнительных измерений внутри витрины источники опасности были выявлены.
Таким образом, система ArcGIS помогла получить важные данные, позволившие выработать ряд конкретных мер по оптимизации радиационно-экологической обстановки: ранее известные и вновь обнаруженные радиоактивные образцы были перенесены вглубь выставочных стендов, что существенно снизило их потенциальную опасность без нарушения целостности экспозиции, крупногабаритные экспонаты удалены от мест длительного пребывания людей.
Благодаря картированию интенсивности магнитного поля (МП) 50 Гц (рис. 3), были определены границы неблагоприятных зон вокруг электрощитовой и в ряде служебных помещений, где уровни МП превышали считающийся безопасным уровень в 0,20 мкТл (микроТесла) [4]. Также, исходя из особенностей пространственной структуры МП 50 Гц, показана возможность наличия токов утечки в металлическом каркасе здания.
Рис. 3. Распределение уровней магнитного поля 50 Гц в обследованных помещениях. Максимальные значения поля отмечены в пределах электрощитовой (центральная часть рисунка).
Карта уровней шума позволила определить границы зоны акустического дискомфорта от работы лифтового оборудования, систем вентиляции и водоснабжения, определить места, в которых превышался нормативный уровень шума из-за работы систем жизнеобеспечения здания.
По результатам работ были созданы: серия карт физико-экологической обстановки на одном из этажей Музея землеведения, трехмерная модель этажа в среде ArcGIS, а также выработаны конкретные рекомендации по оптимизации экологической обстановки.
Литература
1. Куклев Ю.И. Физическая экология. М.: Высшая школа, 2001. – 357 с.
2. Стурман В.И. Экологическое картографирование. М.: Аспект пресс, 2003 – 251 с.
3. Инженерная экология /Под ред. В.Т. Медведева/. М.: Гардарики, 2002. – 687 с.
4. TCO’03 Certification of CRT Displays, version 2.0 (http://www.tcodevelopment.com/).
