Инфраструктура пространственных данных техногенных отходов горно-обогатительных производств

Ряховский В.М., (ИГЕМ РАН, rvm1941@mail.ru), Шкотин А.В., (ГГМ РАН, alex shkotin@gmail.com) , Похно С.А., (ГГМ РАН, s.pokhno@sgm.ru)

Spatial Data Infrastructure for Technogenic Wastes of Mining and Processing Industries

Одной из важнейших проблем современности является неконтролируемый рост совокупных техногенных образований горнопромышленных производств. Ситуацию усугубляет как отсутствие информационной базы данных РФ по техногенным отходам, так и слабо разработанный учет и регулирование их накопления и переработки в промышленных регионах страны. В связи с этим особую важность приобретает мониторинг техногенных образований, предусматривающий разработку общего Кадастра и проведение паспортизации техногенно-минеральных образований с их геологической и минералого-технологической характеристикой. В статье предложен алгоритм такого мониторинга с применением современных информационных технологий, позволяющий оценить дополнительные источники минерального сырья и одновременно планировать рекультивацию территорий, решая задачу ликвидации экологического ущерба. Описано создание базы данных ГИС по ТМО со структурированной информацией, что помогает при создании различных проблемно-ориентированных моделей данных, направленных на решение конкретных пользовательских задач. При этом БД поддерживает объектно-ориентированные векторные и растровые данные, которые представлены в виде объектов со своими свойствами, поведением и взаимоотношениями.

Техногенные образования горнопромышленных производств относятся к специфической группе геологических объектов, сформировавшихся за последние столетия в промышленных регионах. К ним относятся отходы горного, обогатительного, металлургического, энергетического, химического и других производств, которые можно рассматривать и как ценное сырьё для дополнительного получения полезных компонентов, строительных материалов, химической продукции, минеральных удобрений и пр.

За последние десятилетия в мире происходит ускоренное потребление минерально-сырьевых ресурсов, что приводит к истощению богатых месторождений полезных ископаемых. Поэтому горнодобывающая промышленность уже ориентируется на эксплуатацию всё более бедных месторождений полезных ископаемых, а также на использование техногенно-минеральных образований (ТМО), как источника дополнительных ресурсов полезных компонентов.

По оценкам отечественных и зарубежных специалистов состояние здоровья людей на 20-30% зависит от состояния окружающей среды и только на 10% – от деятельности служб здравоохранения. В связи с этим, ведущими странами мира разработана и принята «концепция устойчивого развития». Ее основой является ресурсосберегающий подход к развитию экономики, в том числе сбережение энергии и сырьевых материалов. В настоящее время существующие горнодобывающие, обогатительные и горнометаллургические предприятия имеют низкий уровень использования минеральных отходов, что обусловлено слабой изученностью свойств техногенных отходов и отсутствием современных технологий их утилизации. В России накоплено более 80 млрд. тонн техногенных отходов; ежегодный прирост составляет около 7 млрд. тонн, в том числе 2.5-5.0 млрд. тонн отходов добычи и обогащения, из которых используется лишь 2 млрд. тонн или 28,6%, и они являются перспективным источником вторичного промышленного сырья. По оценкам, к 2025 году накопленный объем горнопромышленных отходов приблизится к 80 куб.км [1]. Одновременно с этим, с точки зрения экологии особую тревогу вызывает накопление в отвалах и свалках токсичных, в том числе содержащих канцерогенные вещества отходов, общее количество которых превышает 2 млрд. тонн.

Таким образом, одной из важнейших проблем современности является неконтролируемый рост совокупных техногенных образований горнопромышленных производств. Эта проблема усугубляется отсутствием информационной базы данных в РФ по ТО и, как правило, слабо разработанным процессом учета и регулирования накопления и переработки техногенных отходов в промышленных регионах. Слабая геологическая и минералого-технологическая изученность ТО определяет необходимость создания общего Кадастра и проведения паспортизации ТМО, как одной из важнейших составляющих мониторинга техногенных образований. Ведение мониторинга в этих регионах на основе современных информационных технологий позволит оценить дополнительные источники минерального сырья и планировать рекультивацию промышленных территорий, решая проблему ликвидации экологического ущерба.

При создании комплексной информационно-аналитической системы учета техногенных образований, формировании кадастра и паспортизации в регионах необходимо привлекать средства формирования баз данных, распределенные вычисления и стандарты взаимодействия открытых систем [2]. Это позволит решить проблемы электронного хранения и обмена пространственными данными между порталами разной специализации, а также обеспечит массовый доступ к картографическим материалам, космо- и аэроснимкам, базам данных и прочим материалам на основе современных информационно-коммуникационных технологий (Интернет).

В качестве ядра такой системы нами выбрана ГИС-платформа ArcGIS, поскольку она предоставляет бесшовную технологию для работы с пространственными данными: от средств моделирования и наполнения БД, многопользовательского редактирования и контроля качества данных и плоть до создания порталов и представления удобного доступа к данным через веб.

Модель данных ТМО

Создание базы данных по техногенно-минеральным образованиям позволяет структурировать географическую информацию, что помогает при создании различных проблемно ориентированных моделей данных, направленных на решение конкретных пользовательских задач [3, 4]. БД ArcGIS поддерживает объектно-ориентированные векторные и растровые данные, которые представлены в виде объектов со своими свойствами, поведением и взаимоотношениями. В ArcGIS уже встроены возможности работы с различными типами объектов. Применительно к БД по техногенно-минеральным образованиям это могут быть простые площадные объекты (площадки техногенных отходов), линейные объекты (дороги), аннотации, а также другие, более специализированные типы объектов (измерения в точках). Подобная модель данных позволяет определять отношения между объектами, а также правила для поддержания целостности связей между ними.

Организация данных в БД, включая выбор приложений, через которые к ним осуществляется доступ, конфигурация аппаратного обеспечения сервера и рабочих мест — всё это ключевые факторы успешного применения многопользовательской ГИС по мониторингу техногенных месторождений или их кадастр.

Используя средства UML моделирования в ArcGIS, нами была разработана модель данных ТМО (рис. 1).

Рис. 1. Концептуальная схема базы данных по техногенно-минеральным образованиям.

Создание кадастра по техногенно-минеральным образованиям

Кадастр – это систематически пополняемый публичный реестр сведений об объектах недвижимости на территории страны или ее регионов, основанный на топографической съемке границ участков недвижимой собственности, которым присваиваются надлежащие обозначения [18]. Соответственно, кадастр техногенных отходов должен представлять собой совокупность текстового и картографического описаний участков, отведенных под хранение техногенных отходов, и описания самих отходов согласно разработанной классификации.

Текстовое описание самого участка должно включать его уникальный идентификатор (кадастровый номер), форму хранения отходов (твердая/жидкая), измерения объекта хранения (отвала, шламохранилища и т.д.), сравнительную характеристику объекта хранения во времени (насколько стабильно его положение в пространстве с течением времени, не происходит ли размыва или иного распространения отходов по территории участка хранения и за его пределы), а также ссылку на паспорт техногенных отходов. Дополнительно можно включить описание прилегающей территории с точки зрения ее экологического состояния и потенциальных угроз, представляемых ТО.

В картографическом плане описание ТО должно представлять собой комплект карт и схем в нескольких масштабах (рис. 2). Начать следует с карты региона, на которой будут отмечены все предприятия, имеющие на (вблизи) своей территории хранилища ТО, возможно, с указанием типа предприятий. Далее в качестве необязательного элемента можно включить карту более крупного масштаба, до территории города или нескольких небольших городов, если в регионе есть участки высокой концентрации обогатительных предприятий. Следующий масштаб – схема предприятия с окрестностями с указанием места хранения ТО. И, наконец, последней должна идти схема участка, на котором хранятся техногенные отходы, с указанием всех размеров и их изменений во времени.

Рис. 2. Уровни картографического представления данных.

Создание кадастра с нуля путем внесения полевых геодезических измерений каждого участка хранения ТО представляется крайне сложной и длительной процедурой. Поэтому для получения информации об объектах, на территории которых хранятся отходы, можно использовать уже имеющуюся информацию, например, космофотоснимки любой из государственных баз (Роскосмос и т.д., отбор по качеству и закрываемой территории). Также возможно использование данных Росреестра (на одноименном сайте имеется картографическая информация, возможно его подключение к приложению ArcMap в качестве сервера геоданных). В идеале было бы хорошо иметь и бумажные кадастровые выписки с планами объектов. Ограничением работы с выписками, как показывает опыт построения кадастра объектов Минсельхоза, является обработка бумажной информации. Она достаточно трудоемка (сканирование, оцифровка…) и требует определенного времени, но это помогает избежать проникновения в кадастр возможных ошибок с сайта Росреестра и позволяет дополнительно проверить загружаемую оттуда информацию. Эти данные будут закрывать два последних масштаба нашего кадастра. Единственное, что надо проверить – это наличие на кадастровых планах предприятий участков хранения ТО. С этим могут возникнуть проблемы, так как специально построенные для целей хранения сооружения (если они вообще есть) не являются зданиями и могут быть не нанесены на планы.

Возможности редактирования пространственных данных в ArcGIS удовлетворяют всем требованиям проекта. Вопрос возникает только с координатами объектов. Как показал наш опыт предыдущего проекта, координаты почти всех объектов в кадастре Росреестра местные. Т.е. на каждую область и даже город имеется своя, измененная в целях сохранения секретности, система координат, в которой предоставляются все результаты государственных топографических работ по данному району. Это может серьезно затруднить создание общего кадастра в редакторе, ибо предполагается, что все съемки загружаются в одинаковой системе координат или хотя бы имеется возможность перепроецирования (приведения к одной системе координат). Можно использовать возможности «подгона», но для этого надо, чтобы в проект была загружена «эталонная» информация в одной и той же системе координат по всем объектам хотя бы в масштабах городов и окрестностей. Этого можно достичь при подключении Росреестра, как сервера геоданных. Тогда все отображенные на его карте объекты, привязанные к топографической карте, будут видны в проекте ArcMap.

Если этих данных будет недостаточно, можно делать карты всех масштабов, подсаживая объекты, оцифрованные по кадастровым планам, руками. Точность этой насадки будет зависеть от размеров объекта и качества космофотоснимков на данную территорию.

Кроме того, одним из вариантов получения карт и схем масштаба участка хранения ТО и предприятия является непосредственное наблюдение объекта и съемка его координат с помощью GPS/ГЛОНАСС. Далее по полученным координатам можно привязать схемы Росреестра, точно обрисовать объекты на аэрофотоснимках или даже нанести их самостоятельно. В кадастр планируется включение данных и по геологическим, геохимическим и экологическим исследованиям, которые будут проводиться при исследовании объектов. Любые места отбора проб, бурения шнеков, выходов того или иного типа пород на поверхность также будут снабжаться GPS-координатами для дальнейшего нанесения на план участка.

При наличии реальных координат, полученных при исследованиях на местности, могут пригодиться возможности кадастрового редактора ArcMap по «подгонке» одной системы участков под другую. Участки, оцифрованные по аэрофотоснимкам или полученные из Росреестра, можно будет корректировать, используя полученные координаты. Разграничением участков по точности можно воспользоваться для разделения их на исследованные натурно и оцифрованные по картографическим данным или аэрофотоснимкам.

В итоге получилась следующая структура:

Уровень 1. Карта региона с нанесенными на нее горнодобывающими предприятиями, классифицированными по типу добываемого и обогащаемого сырья.

Уровень 2. Карта города или района, объединяющего несколько небольших городов, также с нанесенными на нее предприятиями по типам сырья. С этого уровня целесообразно применение аэрофотоснимков.

Уровень 3. Схема предприятия в масштабе, достаточном для того, чтобы можно было отследить типы ландшафтов и земель, окружающих его территорию. На схеме предприятия нанесены участки хранения различных типов техногенных отходов, показанных различными символами. С этого уровня можно подключать геоэкологические слои, характеризующие, например, характер стока поверхностных и подземных вод, направления ветра, наличие и характер эрозии объекта хранения ТО. Так же можно выделить точки отбора проб вод или геохимического анализа почв на характерные примеси.

Уровень 4. Непосредственно схема участка хранения техногенных отходов с недальними окрестностями. На ней может быть отображено зонирование участка по различным характеристикам: более старые, уже измененные отходы, более новые, еще не затронутые преобразованиями, степень эродированности и т.д. Отдельным слоем могут быть вынесены точки геохимических опробований и их результаты.

Принципы и архитектура ИПД ТМО

Под инфраструктурой пространственных данных (ИПД) понимается «информационно-телекоммуникационная система поддержки метаданных, наборов пространственных данных и геоинформационных услуг, обеспечивающая доступ пользователей к распределенным ресурсам пространственных данных, их распространение и обмен ими, с использованием Интернета или иной общедоступной глобальной сети, в целях повышения эффективности их производства и использования» [2-7]. ИПД ТО – система управления распределенными ресурсами пространственных данных и сервисов в интересах учреждений, организаций, коллективов и сотрудников Российской академии наук, научно-образовательного сообщества в целом, а также органов государственного управления и гражданского общества (рис. 3).

Рис. 3. Принципы формирования и архитектура инфраструктуры пространственных данных по техногенным отходам.

Основной целью внедрения ИПД ТО в регионах является формирование банка данных по техногенным образованиям и разработка системы мониторинга для учета техногенных отходов в пространственно-временных координатах, реализованная на основе методик и процедур (надзора) за состоянием отходов (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема формирования банка данных по техногенным образованиям (БД ТМО).

Мониторинг является источником информации о закономерностях изменения во времени и в пространстве химико-минералогического и петрографического составов и физических свойств как самих техногенных отложений, так и объектов окружающей среды вблизи ТМО (почв, донных отложений, подземных и грунтовых вод, воздушного бассейна). Данные этого блока являются основой для прогноза изменения экологической ситуации исследуемой территории, выработки рекомендаций и принятия решений.

На основе информационной базы создаются математические модели взаимодействия ТМО с окружающей средой, которые связывают все имеющиеся виды информации и обеспечивают построение модели ТМО, поэлементных, геологических и экологических карт, петрофизических разрезов и т.д., то есть создание графических библиотек. Математические модели с использованием данных информационной базы позволяют сделать оценку прогнозных ресурсов содержащихся в ТМО полезных компонентов и выработать систему поддержки принятия решений.

Нормативно-правовая база содержит информацию о предельно-допустимых концентрациях (ПДК), выбросах (ПДВ) и сливах (ПДС) загрязняющих веществ, нормативно-правовые и нормативно-методические документы по охране окружающей среды, природопользованию и обеспечению экологической безопасности.

Прототип системы по ведению и анализу данных о ТМО

На базе ArcGIS Server 10 и мастера веб приложений ArcGIS Viewer for Flex нами была создана пилотная версия геоинформационно-справочной системы (рис. 5), используя которую заинтересованные лица через веб-приложение может получить доступ к БД ТМО.

Рис. 5. Внешний вид информационно-справочной системы.

При формировании тематических слоев Кадастра техногенно-минеральных образований на первом этапе нами были выполнены:

• Оцифровка контуров ТМО по полевым данным, полученным с помощью устройств глобального позиционирования.
• Привязка имеющихся чертежей по Балейскому Тасеевскому ТМО, выполненных в программе AutoCad, с интеграцией в среду приложения ArcMap для дальнейшего использования.
• Ввод семантической информации по объектам ТМО с верификацией базы данных.

На текущий момент система включает в себя следующие информационные слои:

• Тепловая электроэнергетика
  • ТЭЦ на угле
  • отходы ТЭЦ (в перспективе), шлаки
• Горнодобывающая промышленность
  • горнодобывающие предприятия (ГДП)
  • отходы ГДП (точки: техногенная россыпь (шламы) и отвалы вскрышных пород) + база Карьеры. Россия
  • отходы горнодобывающей промышленности площадные: техногенная россыпь (шламы) и отвалы вскрышных пород
• Горнообрабатывающая промышленность
  • горнообогатительные комбинаты (ГОКи)
  • отходы ГОК (точки), хвостохранилища и старогодние отходы
  • отходы ГОК (площадные хвостохранилища)
• MP-металлургическая промышленность
  • металлургические заводы
  • отходы металлургических заводов (точки: шлакохранилища и отвалы пиритных огарков)
  • отходы металлургических заводов площадные (шлакохранилища).

Заключение

Актуальность создания комплексной геоинформационной системы по техногенным отходам горнопромышленных производств продиктована как экономическими соображениями, так и социальными запросами в области экологической безопасности регионов. Она востребована как государственными органами и региональными властями, так и коммерческими и некоммерческими структурами, учеными и аналитиками, а также широкой общественностью. Некоторые потенциальные пользователи системы и решаемые ими с ее помощью задачи указаны на рис. 6.

Рис. 6. Возможные варианты использования системы.

Для разработки технологий переработки и утилизации техногенных отходов на первом этапе необходимо учитывать объем и технологичность отходов и потребности развития экономики региона размещения отходов. С точки зрения экономики в оценку подобных производств следует ввести повышающий коэффициент экономической эффективности минимум на 20%, а учитывая то, что производства располагаются в пределах заведомо зараженных и не пригодных для прочих нужд земель, и более – вплоть до 50%. Кроме того, социальный запрос экологической чистоты региона будет не только разрешаться, но частично поможет решить проблему складирования и утилизации бытовых отходов (в карьерах прежнего расположения токсичных отходов).

Таким образом, создание инфраструктуры пространственных данных техногенных объектов дает возможность провести анализ их пространственного размещения, типов и экологической опасности каждого из них, а также возможных методов их утилизации с параллельным извлечением полезных компонентов и дальнейшей рекультивации территорий складирования техногенных отходов.

Литература

1. Шуленина З.М., Анфилатова Н.В., Ковалева Е.Н. и др. Техногенные ресурсы России. М. ЗАО «Геоинформмарк», 2001, с. 199
2. Рундквист Д.В., Ряховский В.М. Роль геоинформатики в фундаментальных исследованиях в области наук о Земле. Журнал «Открытое образование», № 4, 2010
3. Ряховский В.М., Щульга Н.Ю. Принципы работы и архитектура Интернет-портала «Геология». В журн.: «МОНИТОРИНГ. Наука и Технологии» 2009 г. стр. 78-88
4. Ряховский В.М., Шульга Н.Ю. Портал «Геология», В кн.: «Электронная земля» 2009, стр. 153-162
5. Кошкарев А.В., Ряховский В.М., Серебряков В.А. Инфраструктура распределенной среды хранения, поиска и преобразования пространственных данных. Журнал «Открытое образование», № 4, 2010, с. 24-31
6. Цветков В.Я. Информационные модели и информационные ресурсы // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2005. № 3, с. 85–91
7. Савиных В.П., Соловьёв И.В., Цветков В.Я. Развитие национальной инфраструктуры пространственных данных на основе развития картографо-геодезического фонда Российской Федерации // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2011. – № 5. с. 85–91