Куракина Н.И., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», УНЦ «ГИС-технологии», г. Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, e-mail: NKurakina@gmail.com
Comprehensive Monitoring and Forecasting of ecological State of Rivers with the Use of GIS
Уровень воздействий на природные объекты в настоящее время растет с каждым днем. В связи с этим, постоянно повышается актуальность объективной оценки экологической ситуации и прогнозирования ее развития, оперативного представления ее результатов широкому кругу пользователей. Автором систематизированы данные экологического мониторинга рек Северо-Западного региона, разработана информационная среда системы оценки и прогнозирования, создан программный комплекс моделирования распространения загрязнений в водотоках.
Введение
Важнейшей задачей современного экологического мониторинга является создание комплексной системы наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. При этом водные объекты становятся обычно конечными звеньями «цепочки» загрязнения. Почти все загрязняющие вещества, которые первоначально попали в атмосферу, в конечном итоге оказываются на поверхности суши и воды. Оседающие аэрозоли могут содержать ядовитые тяжелые металлы: свинец, кадмий, ртуть, медь, ванадий, кобальт, никель. Обычно они малоподвижны и накапливаются в почве. Но в почву попадают с дождями также кислоты. Соединяясь с ними, металлы могут переходить в растворимые соединения. В растворимые формы переходят также вещества, постоянно присутствующие в почвах.
Основными видами антропогенного воздействия на водные объекты являются: сельскохозяйственная деятельность (пашни, животноводческие комплексы, овощные хозяйства), вырубки, гари, пересекающие водотоки дороги, техногенное влияние городов и рекреация.
Следует отметить, что большую антропогенную нагрузку испытывают мелкие, средние реки и водоёмы, особенно расположенные в пределах городской черты. Малые и средние реки играют важную экологическую роль и составляют основу гидрографической сети, формируя сток больших рек и определяя качество их воды. А изменение гидрологического режима малых рек приводит к соответствующему изменению режима больших рек. Все малые водотоки чрезвычайно чувствительны к любой антропогенной деятельности на их водосборах, изменяющей природные условия территории бассейна реки. Они в первую очередь реагируют на хозяйственную деятельность человека – на вырубку лесов, распашку, осушение, орошение, они обладают более низкой способностью к самоочищению, быстрее загрязняются. При этом подавляющее большинство малых рек не входят в программы наблюдений, реализуемые государственными службами, но в то же время играют большую хозяйственную и рекреационную роль.
Целью представленной работы является создание информационной базы для функционирования комплекса программных средств, осуществляющих мониторинг и прогнозирование экологического состояния водных объектов на базе технологии геоинформационных систем (ГИС).
Оценка и прогнозирование состояния водных объектов основывается на анализе результатов контрольных измерений и на использовании математических моделей распространения примесей.
В первом случае прогнозирование состояния объектов должно основываться на результатах исследований, выявляющих закономерности природных процессов, закономерности распространения и миграции загрязняющих веществ, в их превращениях, их влиянии на состояние воды, реакции различных организмов на изменения этого состояния. При этом необходимо прогнозировать изменение интенсивности источников различных факторов воздействия в водной среде, например, общего количества загрязняющих веществ, их распределения в пространстве, изменения их свойств и концентраций во времени.
Математическое моделирование проводится с использованием закономерностей распространения примесей. При этом учитываются гидрологические, метеорологические, синоптические условия, а также перемешивание сбросов, если они обусловлены многими источниками. Математические модели позволяют спланировать стратегию управления качеством воды и оценить последствия ее реализации. Разработка моделей стимулирует организацию натурных экспериментов для определения необходимых параметров, сбор и систематизацию соответствующих исходных данных.
Система мониторинга
Опыт работы с различными экологическими службами показал разобщенность данных о мониторинге, характеристиках источников загрязнения, гидрологических сооружениях и т.д. В связи с этим актуальной является задача разработки единой структуры баз данных, а также методик взаимодействия программных модулей, входящих в систему оценки качества водного объекта.
Геоинформационная система мониторинга, созданная на базе платформы ArcGIS, базируется на топографической основе с единой системой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихся хранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным расчетным алгоритмам.
Для ведения мониторинга и управления качеством водных объектов разработана структура базы геоданных и создана информационная основа системы анализа, включающая слой пунктов наблюдений за загрязнением поверхностных вод, базу результатов контроля и нормативную базу со значениями ПДК и классов опасности веществ.
Оценка загрязнения выполнена на основе материалов натурных наблюдений Северо-Западного региона. Наблюдения на водных объектах осуществляются на государственном, территориальном и локальном уровнях. На карте слой пунктов наблюдений отражается принятыми условными знаками, в зависимости от типа наблюдательной сети (рис. 1).
Рис. 1. Информационная основа системы анализа.
В основу системы анализа заложен бассейновый подход оценки качества водных объектов. С этой целью выделены границы частных и общих водосборов основных речных бассейнов Северо-Западного региона РФ (рис. 2).
Рис. 2. Бассейны рек Северо-Западного региона.
Для оценки экологического состояния водных объектов были использованы методики: органолептического анализа (прозрачность, цветность, запах); химического анализа (окисляемость, аммиак и ионы аммония, нитриты, хлориды, сульфаты, железо общее); оценка качества рек и водоёмов по биотическому индексу; определение индекса загрязнения воды.
Система мониторинга позволяет оперативно оценивать состояние водных объектов и представлять экологическую ситуацию на карте.
Система позволяет исследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени:
- проводить анализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ);
- получать нормированные оценки;
- формировать усредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ) и строить тематические карты;
- рассчитывать интегральные оценки.
Особое внимание при систематизации данных и построении системы мониторинга было уделено трансграничным водным объектам. В настоящее время периодический систематизированный обмен результатами экологического мониторинга трансграничных водных объектов между странами-соседями достаточно ограничен, поэтому особенный интерес вызывает соотношение данных по качеству воды между приграничными и замыкающими створами трансграничных рек.
На приграничной территории между Россией и Финляндией собраны данные наблюдений на тех реках у южной части совместной государственной границы, которые подвергаются значительной нагрузке от хозяйственной деятельности человека. Это – реки Вуокса, Хиитоланйоки, Селезневка, а также Сайменский канал (рис. 3).
Рис. 3. Изменение концентраций ингредиентов.
Сегодняшние концентрации органического вещества, фосфора и азота в этих реках явно ниже уровней 1970-х годов. Исследования показали, что качество воды на р. Вуокса в последнее время улучшилось в результате сокращения сбросов вредных веществ. Вблизи государственной границы в точках измерения оно классифицировано как хорошее, в то же время на территории России перед Ладожским озером качество воды на данной реке несомненно ухудшается (рис. 4).
Рис. 4. Пространственное распределение концентраций загрязняющих веществ.
Продолжается ухудшение качество вод р. Селезневки, несмотря на то, что уровни сбросов сточных вод за последние годы не изменялись. Это объясняется как сбросами сточных вод за прошедшие годы, в результате которых из-за внутренней нагрузки поступает загрязнение из оз. Хаапаярви, которое находится в этом же бассейне, так и ведением относительно интенсивного сельского хозяйства в регионе (рис. 5).
Рис. 5. Интегральное оценивание качества вод.
При исследовании качества трансграничных вод на Российско-Эстонской территории систематизированы данные наблюдений в бассейнах р. Нарва и Плюсса. Проведен гидрологический мониторинг и оценено состояние поверхностных водотоков Сланцевского района в месте расположения ликвидируемых шахт ОАО «Ленинградсланец». Шахтные поля этого предприятия расположены в бассейне р.Плюсса, что сказывается на загрязнении вод тяжелыми металлами (рис. 6), усугубляемом поступлением в реку неочищенных сточных вод, и приводит к ухудшению санитарно-эпидемиологической обстановки.
Рис. 6. Изменение среднегодовых значений концентраций тяжелых металлов.
Построенные тематические карты распределения загрязнений на основе выделенных водосборов рек позволяют визуализировать существующую ситуацию и оперативно отображать текущее состояние водных объектов, что несомненно облегчает задачу их анализа и принятия необходимых решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.
Система моделирования
Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования процесса распространения вредных веществ в водотоках. Модели распространения загрязняющих веществ учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, гидрологические условия.
В качестве расчетного метода прогноза влияния сброса производственных, ливневых и хозяйственно-бытовых стоков и оценки процесса разбавления, а также для обоснования допустимых нормативов сброса сточных вод применен метод математического моделирования конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ [1]. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики. Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты.
Серьезной проблемой при проведении расчетов является то, что реальные водные экосистемы на своем протяжении неоднородны по гидрологическим и морфометрическим параметрам. Поэтому для расчета водный объект разбивается на однородные участки с последующей их стыковкой. Каждый участок, в свою очередь, делится на «ячейки», создавая сеточную модель водного объекта, в которую в результате расчетов заносятся значения концентрации.
Результатами моделирования являются:
- поле распределения концентрации исследуемой примеси (рис. 7);
- максимальная концентрация в контрольном створе;
- степень перемешивания;
- кратность разбавления;
- допустимая концентрация примеси в сточных водах.
Рис. 7. Моделирование распространения загрязнений.
Разработанная модель распространения примесей является универсальной, поскольку может быть применена для проведения исследований для водотоков равнинного типа с большой шириной и скоростью течения больше 0,1 м/с, с последующим уточнением особенностей гидрологических режимов.
Заключение
Созданная система комплексного мониторинга и моделирования позволяет оценить степень воздействия осуществляемой хозяйственной деятельности на состояние вод и разработать рекомендации по организации и методам обеспечения действенного контроля и надзора за безопасностью недропользования и охраной окружающей среды в водных объектах. Для хранения имеющихся данных, их структурирования и обработки используется база геоданных ArcGIS. Возможности ГИС позволяют наглядно представить эти данные и результаты моделирования распространения примесей в водных объектах на электронной карте, доступ к которой можно предоставить как специалистам, так и всем заинтересованным лицам и общественности.
Литература
- Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В., Шишкин А.И., Епифанов Е.В., Антонов И.В. Система расчета нормативов допустимого воздействия на водные объекты в среде ГИС // ArcReview, № 4(51), 2009, С. 9-11.
