Геоинформационное обеспечение геоэкологического мониторинга на шельфе Азовского моря

Погорелов А.В.*, Ловцов Е.Г.*, Киселев Е.Н.*, Куркина Е.В.*, Елецкий Б.Д.**

*Кубанский государственный университет, г.Краснодар, E-mail: kurkina743@rambler.ru

**ООО «НК «Приазовнефть»», г.Краснодар

Введение

Поисково-разведочное бурение и добыча углеводородного сырья в акватории и на побережье Азовского моря предусматривают проведение долговременных комплексных экологических наблюдений. Наиболее эффективной формой подобных наблюдений, как в производственном, так и в научном смысле является геоэкологический мониторинг. Он выполняется на основе: а) достаточного перечня измеряемых экологических показателей; б) пространственно закрепленной сети измерений; в) геоинформационной системы (ГИС), как хранилища данных наблюдений и среды их обработки.

Пространственные пределы мониторинга (или экологического контроля по производственной терминологии), который организован и финансируется нефтяной компанией ООО «НК «Приазовнефть», заданы площадью ее лицензионного участка (5,4тыс.кв.км) в юго-восточной части Азовского моря. Но реально наблюдения распространяются на 8тыс.кв.км, охватывая и прилегающие территории. Основные задачи экологического контроля – сбор данных о состоянии окружающей среды и оперативное предупреждение неблагоприятных экологических ситуаций на изучаемой территории. А его долговременная цель заключается в анализе состояния и динамики компонентов экосистемы Азовского моря в аспекте антропогенных преобразований.

Организация мониторинга

При организации сети станций геоэкологического мониторинга учитывались, во-первых, преемственность по отношению к существующей сети наблюдений Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства (АзНИИРХ, Ростов-на-Дону) и, во-вторых, разноуровневый характер мониторинга, предусматривающий дифференцированное временное и пространственное разрешение наблюдений (рис. 1, табл. 1). В сети наблюдений расстояние между точками измерений определяется уровнем пространственной детальности: для соседних станций III уровня оно составляет 9-15км, для II и I уровней – соответственно около 2-5 и 1км.

Рис. 1. Разноуровневая система наблюдений в районе лицензионного участка ООО «НК «Приазовнефть»».

Таблица 1

Количество станций геоэкологического мониторинга ООО «НК «Приазовнефть» по состоянию на 2008 г.

В скобках указано количество станций на суше или в прибрежной зоне.

Предусмотрены измерения ряда показателей: гидрохимические (19 показателей), геохимические (8), загрязненность воды (69), загрязненность донных отложений (69), загрязненность биоты – ткани моллюсков (44), биологический анализ (34), токсикологический анализ – биотестирование водной среды (5), токсикологический анализ – биотестирование донных отложений (6 показателей), а также гидрологические и метеорологические (табл. 2). На морских станциях измерения выполняются в поверхностном, придонном слоях воды и на глубине 5м. Время обработки проб после завершения экспедиции составляет от 5 до 70 дней.

Таблица 2

Количество измеряемых показателей по данным наблюдений на структурах «Геленджикская» и «Новая».

ГИС-обеспечение мониторинга

Система геоинформационного обеспечения геоэкологического мониторинга включает собственно ГИС и информационные продукты удаленного доступа. В качестве главных конечных информационных продуктов выступают обобщенные таблицы, содержащие данные первичных геоэкологических измерений, и карты, отражающие распределение соответствующих показателей. Геоэкологическая ГИС ООО «НК «Приазовнефть» поддерживает стандартные функции хранения, обработки, анализа и представления пространственных данных. Она предназначена для оперативной оценки геоэкологической ситуации при проведении поисково-разведочного бурения и предполагаемой добычи углеводородного сырья в акватории и на побережье Азовского моря.

Согласно разработанной схемы производственного экологического контроля накопление, хранение и обработка данных геоэкологических наблюдений должны быть реализованы в среде геоинформационной системы. В отечественной нефтегазовой отрасли применение ГИС-технологий вкупе с СУБД давно стало нормой. Достаточно обширен и многообразен опыт реализации ГИС и в природоохранной сфере. В то же время, готовые решения по разработке структуры и содержания баз геоданных для поддержки экологического мониторинга, учитывающие специфику объекта (экосистема Азовского моря), отсутствуют.

В связи с этим, в процессе построения базы геоданных – ядра ГИС – решались следующие задачи:

• определение состава пространственных и атрибутивных данных, необходимых для поддержания функций геоэкологической ГИС;
• разработка требований к качеству входных данных (полноте, достоверности, точности, актуальности, согласованности) и их преобразованиям в среде ГИС; анализ допустимости различных типов ошибок пространственных и физических данных;
• определение подтипов и атрибутивных доменов (множества допустимых значений атрибута) с использованием правил корректности ввода данных, значений по умолчанию;
• определение оптимальных форм пространственного представления геоэкологических данных и согласование их с элементами базы геоданных;
• разработка структуры базы геоданных, учитывающей многоуровневую сеть наблюдений и применение специализированных методов обработки данных.

Для автоматизации написания запросов на языке SQL к реляционной базе геоданных в среде Borland Delphi создано специальное приложение «Make table». Оно позволяет сформировать итоговую таблицу на основе результатов выборки данных из базы геоданных согласно условиям, заданным пользователем (рис. 2).

Рис. 2. Приложение «Make Table» для формирования таблицы экологических показателей по запросу пользователя к СУБД.

ГИС сформирована на базе ArcInfo 9 с дополнительными модулями для продвинутого пространственного анализа и информационного обеспечения пользователей в составе ArcGIS Geostatistical Analyst, Spatial Analyst, 3D Analyst, ArcGIS Publisher и др. После формирования в приложении «Make table» результирующей таблицы полученные данные передаются в ArcMap для их представления на карте. Задача многопользовательского доступа и централизованного управления пространственными данными, хранящимися в РСУБД SQL Server, решается средствами ArcSDE. Высокопроизводительный шлюз ArcSDE позволяет совместно использовать СУБД большого объема и существенно снизить затраты на создание и сопровождение базы пространственных данных.

Таким образом, функциональные возможности ГИС и СУБД объединяются посредством ArcSDE (рис. 3, 4). Ввод данных в ArcSDE осуществляется через стандартные приложения ArcInfo с потенциальной возможностью режима многопользовательского редактирования.

Рис. 3. Обращение к таблице запросов из ГИС (приложение ArcMap) через ArcSDE.

Рис. 4. Вывод таблицы запросов в приложение ArcMap через ArcSDE.

В системе обеспечивается конфиденциальность корпоративной информации и регулируется разграничение доступа пользователей к различным наборам геоданных путем выделения их в группы. В зависимости от своих служебных функций все пользователи геоэкологических данных делятся на три группы:

1. Производители данных. Обеспечивают наполнение СУБД первичными данными.

2. Административная и аналитическая группа. Выполняет функции администрирования СУБД, поддерживает бесперебойную работу всей системы и всех блоков ГИС (ввода, хранения, пространственного анализа и моделирования, визуализации результатов анализа данных и др.). По заданию специалистов-предметников и лиц, принимающих решения в области контроля окружающей среды, осуществляет геоинформационный анализ и снабжает пользователей необходимой геоэкологической информацией: картами, картограммами, результатами анализа и моделирования и пр. Через соответствующее серверное приложение выполняет функции картографической службы по сети Интернет: распространяет и публикует картографическую информацию, необходимую для контроля геоэкологической ситуации.

3. Лица, принимающие решения. Представители этой группы используют в своей работе адаптированные результаты геоинформационного анализа и моделирования геоэкологической ситуации, обладая средствами оперативного доступа к необходимой информации через программу ArcReader. При необходимости, решается задача увеличения объема клиентских операций через серверное приложение ArcIMS, обеспечивающее картографическую информацию и ГИС-функционал.

Совместное использование настольных продуктов ArcGIS, ArcSDE и SQL Server позволило реализовать следующие возможности:

• непосредственное редактирование пространственных данных в РСУБД;
• доступ к данным в многопользовательском режиме;
• преобразование пространственной информации в различных файловых форматах и внесение ее в базу геоданных;
• пространственный поиск необходимых данных;
• построение карт с использованием данных, отобранных из базы геоданных.

Предусмотрены разные способы доступа к информационным продуктам, в зависимости от требований к уровню обобщения и квалификации пользователя. В любом случае это предполагает: защиту корпоративных данных, использование Интернет, варианты функциональности – от простого обзора карт до сложных манипуляций с исходными данными напрямую через картографический Интернет-сервис. Наиболее доступный способ предоставляют приложения ArcGIS Publisher и ArcReader (рис. 5).

Рис. 5. Доступ пользователей к картам через интерфейс ArcReader.

Доступные информационные продукты

Главными информационными продуктами, адресованными управляющему звену НК посредством удаленного доступа, являются: а) справочные аналитические таблицы, б) электронные карты (картографические модели и результаты моделирования), в) космические снимки (материалы дешифрирования), отражающие состояние экосистемы Азовского моря. Для обеспечения доступа в режиме on-line к необходимой информации создан технический сайт ООО «НК «Приазовнефть»» с соответствующими информационными ресурсами (рис. 6, 7).

Рис. 6. Технический сайт ООО «НК «Приазовнефть»» для доступа к информационным продуктам геоэкологического мониторинга.

Рис. 7. Выбор конечных информационных продуктов (таблиц и карт) на служебном сайте из базы геоданных по запросу пользователя. Последовательность выбора: год – структура (сеть станций) – категория экологических показателей – пространственный уровень наблюдений – показатель загрязнения.

Наиболее важным компонентом информационной поддержки в управленческом смысле служат карты. Конечная картографическая информация, кроме научно-справочной функции, в значительной мере ориентирована на объективный анализ распределения множества измеряемых показателей на исследуемом пространстве во всем многообразии развивающихся в нем географических и экологических процессов и явлений.

Специфика картографирования данных мониторинга

Следует отметить, что геоэкологическое картографирование морских акваторий – сравнительно новое направление в тематической картографии, методика которого в настоящее время разрабатывается. В нашем случае задача картографирования осложняется комбинированным распределением точек измерений в акватории Азовского моря и лиманно-плавниевой зоне, то есть на побережье, что делает невозможным представление показателей в едином континууме универсальным способом картографирования. Вместе с тем понятно, что наблюдения на суше не только фиксируют соответствующие экологические показатели, но и дают представление о балансе и источниках загрязнения в общем вещественно-энергетическом обмене экосистемы Азовского моря.

Возможны следующие подходы к экологическому картографированию: 1. моноэлементный, 2) синтетический (интегральный), 3) структурный. В эколого-картографической продукции наиболее распространенными являются карты загрязнения различных компонентов природной среды, реализующие моноэлементный подход. Более высокому уровню картографирования свойственен синтетический подход. Синтетические карты действительно способны представить экологическую ситуацию в целом по некой сумме компонентов в виде агрегированного показателя, что отражает системное понимание в оценке состояния сложного географического объекта, каким является Азовское море. Наконец, возможно построение карт структуры антропогенной нагрузки с указанием вклада того или иного воздействия. Однако такой подход предполагает безусловную оценку роли соответствующего антропогенного фактора в динамике экосистемы.

На настоящем этапе исследования экосистемы Азовского моря, базирующемся на заложенной сети станций мониторинга в юго-восточной части моря, мы считаем целесообразным ограничиться построением ежегодных комплектов моноэлементных карт по существующему перечню экологических характеристик. Пример подобной карты представлен на рис. 8. Это создаст предпосылки для перехода к следующей ступени геоэкологического картографирования и достижению более высокого уровня анализа состояния водной экосистемы.

Рис. 8. Распределение фенола в донных отложениях по данным станций 3 уровня.

Заключение

В заключение, кратко о самом картографировании и текущих результатах исследований. Геоэкологические показатели, измеряемые на сети закрепленных станций, должны быть в основном отражены моделями физических поверхностей. При моделировании физических поверхностей ключевой процедурой является выбор способа и параметров интерполяции, то есть задаваемый алгоритм вычисления поверхности в любой точке анализируемого пространства. Результаты моделирования представляются в виде грида или разновидностей его визуализации – изолинии, послойная окраска, градиентная заливка. Таким образом, были созданы комплекты моноэлементных карт за 2005, 2006 и 2007 годы (332, 549 и 1043 карт соответственно). Построенные карты дают возможность уже на данной стадии исследования оценить статистические свойства полей экологических характеристик в показателях горизонтальных градиентов, пространственной корреляции, анизотропии. Это позволяет в дальнейшем осуществлять сравнительный анализ и содержательную интерпретацию геополей. То есть вести полноценный геоэкологический мониторинг территории.