Курочкин Иван Николаевич1, Кулагина Екатерина Юрьевна2, Чугай Наталья Валерьевна3
ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых», г. Владимир
1ivan33vl@yandex.ru, 2kylaginaek@mail.ru, 3chugaj-n@yandex.ru
Assessment of Urban Soil Pollution with GIS
В работе рассмотрены алгоритмы, применяемые при изучении загрязнения урбанизированных территорий при помощи инструментов геостатистической обработки данных наблюдений. Рассмотрен порядок действий и работы с геоинформационными системами для пространственной оценки загрязнения тяжёлыми металлами. Проведена дифференциация территории города по степени опасности.
Процессы индустриализации и урбанизации приводят к повышению уровня антропогенного загрязнения природных объектов — атмосферы, почвы и поверхностных вод, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности живых организмов, в том числе и человека.
Особого внимания требует изучение состояния почвы сельскохозяйственных территорий, так как они выполняют важные экологические функции, в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ, осуществляется регуляция газового обмена и др. [1].
Опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (далее – ТМ) в концентрациях, превышающих предельно допустимые нормативы, сопровождается возможностью вторичного загрязнения воздуха почвенной пылью. В результате воздействия солей ТМ происходит угнетение процессов жизнедеятельности микрофлоры и микрофауны почвы, нарушение ее биохимических процессов, что приводит к ухудшению состояния или гибели растительности на данной территории [2]. Таким образом, изучение состояния почвы является актуальной задачей, в решении которой все в больших масштабах используются современные методы и технологии.
В настоящем исследовании рассматривается опыт применения современных ГИС-технологий при оценке загрязнённости городских почв. В ходе исследования был проведён пробоотбор образцов почвы, их анализ на содержание ТМ, расчёт коэффициентов накопления и суммарного показателя загрязнения почв данными элементами.
Концентрация ТМ в исследуемых образцах почвы определялась методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии с помощью рентгенофлуоресцентного кристалл-дифракционного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС G».
Применение инструментария геоинформационных систем и методов геообработки данных позволяет получить более полную пространственную картину загрязнения при отсутствии достаточного количества точек отбора проб. Первым этапом геообработки данных является нанесение точек пробоотбора на растровую модель пространственных данных, отображающих объект исследования – территорию, на которой проводился отбор проб.
В нашем исследовании применялся программный комплекс ArcGIS, разработан и рассмотрен алгоритм последовательных действий решения поставленной задачи именно для функциональных возможностей, предоставляемых данным ПО (рис. 1).
При наличии векторной схемы объекта исследования, либо же растровой карты с необходимым набором данных, обладающей географической привязкой к выбранной системе координат, для нанесения точек пробоотбора необходимо создание точечного слоя и импорт значений – координат необходимых точек. А при отсутствии географической привязки имеющихся наборов данных сначала необходимо выполнить эту привязку по контрольным точкам, для чего обычно используется несколько точек с точно установленными координатами, расположенных во всех четырёх углах карты/набора данных. Возможен также вариант с использованием готовой базовой подложки, в качестве которой могут послужить данные OpenStreet Map, либо других картографических интернет-сервисов.
Выполнение импорта точечных объектов на готовую растровую модель пространственных данных предусматривает создание текстового документа с, минимум, тремя полями. Необходимыми полями для создания точечного слоя являются – номер метки, широта и долгота каждой из них. Для записи географических координат может использоваться любой эллипсоид, однако на территории РФ чаще всего используется WGS 84 либо эллипсоид Красовского.
Хотя единых правил записи координат не существует, программный комплекс ArcGIS поддерживает и позволяет распознавать практически любые геодезические системы координат.
Далее полученный текстовый документ импортируется в ГИС при помощи команды «Добавить данные XY» приложения ArcMap. В результате на имеющейся модели пространственных данных будет создан новый слой, отображающий местоположение точек отбора почвенных образцов.
При изучении природных либо урбанизированных ландшафтов необходимо также учитывать такие параметры, как кислотность почвы и её тип, поскольку даже в пределах небольшого по площади района исследования могут встречаться совершенно разные типы почв.
Для привязки к точечным данным значений, полученных при анализе содержания ТМ в почвенных образцах, необходимо создать соединение точечного слоя с таблицей, содержащей эти данные. Привязка атрибутивной таблицы производится с помощью команды «Соединение» в функциях точечного слоя, после чего выбирается необходимая таблица. Для правильной привязки атрибутивных данных необходимо указать столбец, на котором будет основано соединение.
После выполнения данных действий, в атрибутивной таблице точечного слоя появятся данные, отражающие концентрацию исследуемых ТМ в почвенных образцах (рис. 2).
Такое представление имеющихся данных позволяет провести оценку загрязнённости территории, основываясь на содержании ТМ в урбанизированных почвах.
На данном этапе решения поставленной задачи сначала необходимо провести преобразование слоёв. Для этого каждый слой с параметрами интерполируется с помощью метода обратных взвешенных расстояний (ОВР), однозначно предполагающего, что объекты, которые находятся поблизости, более подобны друг другу, чем объекты, удаленные друг от друга. Данный метод широко применяется в исследованиях экологической направленности, он заключается в автоматизированном вычислении значений соседних ячеек по суммам значений от точек замеров, нанесённых на растровый слой. При этом удалённость конкретной ячейки от точки замера определяет степень влияния (вес) последней при вычислении значения. К отрицательным сторонам данного подхода можно отнести тот факт, что метод ОВР предполагает убывание значений по мере увеличения расстояния от точки с указанными значениями, т.е. его невозможно применять при слишком больших расстояниях между точками замеров, иначе это приводит к ошибкам в вычислениях и неправдоподобности полученных показателей на стыке радиусов двух соседних точек замера.
Для комплексной оценки загрязнения обычно используется показатель суммарного показателя загрязнения, рассчитываемого на основе коэффициентов накопления отдельных металлов (рис. 3).
После проведённого расчёта данного показателя создаётся дополнительный слой, отражающий уровень загрязнения в баллах для всей исследуемой территории (рис. 4).
Таким образом, применение инструментария геоинформационных систем в экологических исследованиях позволяет более точно определить очаги загрязнения и дифференцировать территорию по степени опасности.
Литература
- Боев В.М., Быстрых В.В., Горлов А.В., Карпов А.И., Кудрин В.И. Урбанизированная среда обитания и здоровье человека / В.М. Боев, В.В. Быстрых [и др.]. – Оренбург: Димур, 2004. – 240 с.
- Shi, T.R. Ma J., Zhang Y.Y., Liu C.S. and others. Status of lead accumulation in agricultural soils across China (1979-2016) // Environmental international. – 2019. №129. – V. 35-41.
- Трифонова Т.А., Чугай Н.В., Кулагина Е.Ю., Курочкин И.Н., Краснощеков А.Н., Ларионов М.В. Картографирование результатов оценки загрязнения тяжёлыми металлами почв г. Владимира с применением ГИС-технологий // АгроЭкоИнфо. – 2020, №1.
