Куракина Н.И., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», NKurakina@gmail.com
Зайцев В.М., Зорохов А.А., ФБУ Балтийская дирекция по техническому обеспечению надзора на море, smorin@mail.ru
GIS for Assessment of Ecological Conditions in the Areas of Underwater Pilling within Gulf of Finland (Baltic Sea)
Рассматриваются вопросы создания информационной основы системы оценки экологической ситуации в акватории Финского залива. Систематизация данных, моделей, результатов анализа в технологии ГИС позволяет наглядно представить сложившуюся ситуацию на карте, проанализировать тенденции ее развития, выявить критические нагрузки на экосистемы в зонах отвала грунта.
Основными проблемами экологии Финского залива являются загрязнение воды в результате сброса промышленных, бытовых, сельскохозяйственных сточных вод, загрязнение прибрежных территорий и возросшая интенсивность судоходства, а также достаточно новой и малоизученной проблемой можно назвать дноуглубительные работы.
Восточная часть залива является активно развивающимся районом со значительным объемом перевозок грузов различных категорий и предоставления туристических и иных услуг.
В 2014 году прошёл «Год Финского залива», по итогам которого было сделано следующее заключение: современный уровень биоразнообразия экосистемы в целом находится в нормальном состоянии, но имеются отдельные проблемные точки. В частности, зоны дноуглубления перед строящимися терминалами в портах Усть-Луга и Бронка.
При проведении дноуглубительных работ в воду поступает большое количество взвеси, оказывающей губительное влияние на состояние гидробионтов (рыбы, планктон). Взвесь препятствует проникновению солнечных лучей, водные растения не могут вырабатывать кислород и гибнут, а следом за ними уходит или гибнет и вся морская фауна. Особенно сильно достается «плавням» – болотистым тростниковым зарослям по берегам залива. Для Невской губы плавни служат естественным водным фильтром, а для всего региона — «легкими», фабрикой кислорода. Мелкая глинистая взвесь, оседая на икре и личинках, убивает их, происходит заиливание дна, а рыбы и птицы покидают внезапно ставшие голодными места. Взвесь также впитывает такие вещества как нефтепродукты и тяжелые металлы, что сказывается на увеличении содержания вредных веществ в складках дна Финского залива, которых за последние годы накопилось достаточно много, особенно в глубоких ямах, вырытых во времена намывов 1970-х и 1980-х и ставших «мертвыми зонами». В них оседает большая часть отходов, грязи и мусора, выносимых Невой.
В рамках каждой подводной стройки ведется мониторинг состояния воды [1]. Но проблема состоит в том, что мониторинг ведется там же, где и работы, а настоящее загрязнение во многих случаях начинается на несколько километров дальше, поскольку сильное течение Невы просто отбрасывает всю взвесь в море [2].
В связи с этим особую актуальность приобретает задача создания информационной системы комплексной оценки состояния всей акватории с систематизацией данных экологического мониторинга, полученных из различных источников, что и является основной целью данной работы.
Данные наблюдений за качеством воды
Данные наблюдений за качеством воды в акватории Финского залива получены в результате экспедиций судового природоохранного комплекса (СПК) «АКВАТОРИЯ» теплохода «Экопатруль-1». Этот комплекс входит в состав передвижной гидрохимической лаборатории Испытательного центра ФБУ «Балттехмордирекция» и представляет собой сложную информационно-измерительную систему, обеспечивающую проведение измерений большого числа химико-физических параметров окружающей среды.
В перечень исследуемых показателей в поверхностных водах входят:
- Основные гидрохимические показатели
- водородный показатель (рН);
- общая щелочность;
- растворенный кислород;
- величина БПК5;
- содержание взвешенных веществ;
- величина ХПК;
- биогенные элементы (аммоний, фосфаты, нитриты, нитраты, общий фосфор, общий азот и др.);
- содержание сероводорода.
- Основные загрязняющие вещества
- определение валового содержания тяжелых металлов (ТМ): меди, кадмия, хрома, свинца, цинка.
Данные натурных наблюдений были получены в форме протоколов измерений в формате Word и представляли собой таблицы разного вида. Поэтому первоочередной задачей явилась систематизация этих данных и создание информационной основы системы оценивания в составе обобщенной геоинформационной модели акватории. Это необходимо для решения задач анализа и отображения результатов контроля в среде ГИС на платформе ArcGIS c целью получения наглядной картины экологической ситуации.
Обобщенная геоинформационная модель акватории
Обобщенная геоинформационная модель акватории [3] базируется на единой топографической основе, базах данных, являющихся хранителем всей информации об анализируемых объектах, имеющих общую организацию и структуру; на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам.
Для создания информационной основы системы оценки была разработана технология систематизации данных в таблицах MicrosoftExcel с последующей конвертацией в базу геоданных ArcGIS (рис. 1).Каждый результат сопровождается кодом поста наблюдения и датой проведения измерения. По данным о местах отбора проб создан пространственный слой постов наблюдения.
Рис. 1. Технология систематизации и анализа данных в ГИС.
Нормативная база представляет собой справочник основных загрязнителей со значениями ПДК для двух категорий водопользования: рыбохозяйственной и хозяйственно-питьевой, включает значения классов опасности веществ и лимитирующих признаков вредности.
Связь результатов контроля с географическим положением (привязка к постам наблюдения) позволяет проводить их пространственный анализ. Наличие временнОй составляющей в результатах контроля дает возможность реализовать запросы по определению динамики и получению усредненных (среднесезонных, среднегодовых) характеристик [4, 5, 8]. Нормативная база служит для получения нормированных оценок с целью анализа качества воды. Таким образом, в среде ГИС реализована система запросов для получения оценок по заданному перечню параметров в соответствии с функционалом нормирования величин, в зависимости от их нормативной функции [6]:
Оi*=Fun{C*i, Date, Stream, PDKi}, i є N,
где Ci – значение концентрации, Date – дата измерения, Stream – участок акватории ФЗ, PDKi – значение ПДК, N – количество измеряемых параметров.
В результате анализа формируются слои оценок в составе геоинформационной модели.
Для автоматизации процесса получения оценок были разработаны модели обработки данных и построения диаграмм в ArcGIS ModelBuilder (рис. 2).
Рис. 2. Модель построения диаграмм экологической оценки, созданная в приложении ArcGIS ModelBuilder.
ModelBuilder — это приложение, используемое для создания, редактирования и управления рабочими процессами, которые соединены друг с другом в последовательности применяемых инструментов геообработки. ModelBuilder можно рассматривать как визуальный язык программирования для построения моделей и алгоритмов рабочих потоков.
В результате работы моделей, в соответствии с поставленным запросом, осуществляется построение диаграмм, позволяющих проанализировать тенденции концентраций ингредиентов и показателей качества воды в пространстве и во времени, рассчитать среднегодовые, среднесезонные оценки, нормированные характеристики.
Оценка экологического состояния акватории Финского залива
Для визуализации оценки состояния поверхностных и придонных вод в восточной части акватории Финского залива был сформирован ряд ГИС-проектов и построены тематические карты по разработанной ранее системе запросов (рис. 3).
Рис. 3. Пространственный анализ качества воды в Лужской губе.
Как видно из диаграмм, представленных на рис. 3, во всех постах наблюдений в акватории порта Усть-Луга превышено содержание меди. В пункте А3 содержание меди находится на верхней границе нормы. В постах A2, L2 и S2 превышена концентрация меди как в водах поверхностного, так и придонного горизонтов. Максимальное превышение концентрации меди зафиксировано в пункте L2 в водах поверхностного горизонта (в 2 раза). Содержание в воде цинка и марганца находится в норме.
Во всех постах наблюдения (рис. 3) сильно превышена мутность воды, а в некоторых точках наблюдается превышение концентрации взвешенных частиц. Максимальное превышение мутности воды наблюдается в точке S1 в придонных водах (в 23,8 раз). Во всех постах наблюдений превышение взвешенных веществ отмечается только в придонных водах, а в поверхностных находится в норме.
Мутность вызывают взвешенные и коллоидные частицы, рассеивающие свет. Это могут быть как органические, так и неорганические вещества или те и другие одновременно. Причиной повышенной мутности обычно являются глинистые или известковые взвеси, а также образующиеся при контакте с воздухом нерастворимые окислы железа и других металлов.
Подобная картина наблюдается и в районе отвалов грунта в Лужской губе и вблизи маяка Толбухин. Как видно из представленных данных (рис. 4), превышение уровня ПДК наблюдалось для: Фосфатов(7); Меди(17); Общего фосфора(8); Азота нитритов(9); Сероводорода(13).
Рис. 4. Нормированные значения концентраций загрязняющих веществ.
Сероводород находится на верхней границе нормы. Наличие сероводорода в воде исключает присутствие в ней кислорода и, следовательно, возможность существования организмов, нуждающихся для дыхания в кислороде, что ведет к их вымиранию.
Временной анализ изменения концентраций загрязняющих веществ приведен на примере оценки качества воды в Невской губе. Как видно из представленных на рис. 5 данных, превышение концентрации меди наблюдается в августе месяце 2013г. Содержание марганца находится в пределах нормы. Также в пределах нормы находится содержание взвешенных частиц и нефтепродуктов. Общая картина по перечню показателей показывает достаточно благополучную экологическую обстановку в акватории Невской губы.
Рис. 5. Временной анализ качества воды в Невской губе.
Выводы
В целом, проведенный анализ позволяет сделать выводы о негативном влиянии проведения дноуглубительных работ, а также складирования грунта в подводные отвалы, проводимые в акватории Финского залива.
Подводные отвалы грунта представляют собой искусственную, сформированную человеком экосистему, характеризующуюся высокой степенью изменчивости всех основных компонентов. Воздействия подводных отвалов грунта распространяются как на морскую, так и на наземную часть прибрежной зоны Финского залива. Увеличение биогенной нагрузки вызывает «цветение» воды, которое приводит к снижению её прозрачности. Песок заносит водные и прибрежные заросли, вызывая уменьшение площадей и продуктивности этих зарослей. Высокая антропогенная нагрузка приводит к уничтожению редких и охраняемых видов прибрежных и водных растений и к широкому распространению сорных видов. Активизируется процесс заболачивания.
Одним из путей минимизации негативных последствий является организация системы постоянного контроля за перемещением донных грунтов и состоянием природной среды [7]. Наглядное представление получаемых данных и результатов их анализа достигается путем создания карт интегральной экологической чувствительности гидросистем, объединяющих данные о гидрологических и геологических условиях, гидрохимические характеристики загрязненности воды и грунта, состояние биоты и прибрежной растительности.
Литература
- Оценка экологической безопасности портостроительства в Финском заливе по состоянию прибрежных биологических сообществ / Д.А. Голубев, С.В. Лукьянов, М.Б. Шилин, О.В. Волнина // «Безопасность жизнедеятельности» 2011, № 2 // Научно-практич. и учебно-методич. журнал, с. 25-31.
- Алексеев В.В., Куракина Н.И. ГИС оперативного анализа и пространственного моделирования загрязнения акватории Финского залива // Сб. материалов ХIV Международного экологического форума «День Балтийского моря», Санкт-Петербург, 20-22 марта 2013г. С. 136-138
- Габидинова А.Р., Куракина Н.И. Информационная среда мониторинга и пространственного моделирования загрязнения водных акваторий на базе ГИС технологий // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб. 2013. № 5. C. 92 – 98.
- Куракина Н.И., Молнар М. О повышении качества питьевого водоснабжения в Северо-Западном регионе России. Метеорология и гидрология. 2014. №8. С. 44-54.
- Куракина Н.И., Микушина В.Н. Моделирование экологического состояния водного объекта на базе ГИС// «Известия ЛЭТИ». СПб. 2007. № 1. C. 45 – 48.
- Куракина Н.И., Микушина В.Н. Методика ведения мониторинга водных объектов на базе геоинформационных технологий// «Известия ЛЭТИ». СПб. 2010. № 9. C. 85 – 88.
- Сборник Рекомендаций Хельсинской комиссии: Справочно-методическое пособие/ СПб.: Диалог, 2008. – 712 с.
- Kurakina N.I. River Pollutants Monitored with GIS. Analyzing the Environmental Impact of Water Bodies in Russia // GIS and Science: GIS Best Practices series. Redlands. Esri. 2008. Р.39-42.
