Молнар М., руководитель проекта ТАСИС «Повышение качества питьевой воды в Северо-Западном регионе России», г. Архангельск, тел.: (8182) 269-147, Е-mail: fichtner@atknet.ru
Куракина Н.И., директор УНЦ «ГИС технологии» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, E-mail: NIKurakina@eltech.ru
Проблема обеспечения населения питьевой водой
Вода – драгоценный дар природы, обеспечивающий жизнь на Земле. Пресные воды, особенно питьевые, становятся главным полезным ресурсом. Человек щедро пользуется водой для удовлетворения своих нужд. В современных больших городах потребности в воде составляют 500-600 литров в день на каждого жителя. Полное водопотребление в мире сейчас составляет 2300 км3/год, по прогнозам к 2025 г. оно возрастет до 5235 км3/год, и с нехваткой питьевой воды может столкнуться две трети населения планеты.
В настоящее время основным источником снабжения населения питьевой водой служат поверхностные водоемы, практически не защищенные от загрязнения. Из-за разбавления в них промышленных и бытовых сточных вод, они малопригодны к использованию без специальной обработки. Необходимо отметить, что вода является интегрирующим звеном накопления загрязнений. Они попадают в воду с осадками из атмосферного воздуха, со сбросами производственных и бытовых вод, выветриваются и вымываются из почвы. Все это отражается на качестве воды. Проблема качества очень актуальна для многих регионов мира, в том числе и для нашей страны.
Питьевое водоснабжение в Архангельской области
Проблема обеспечения населения питьевой водой особенно остро стоит в северных и арктических регионах России, входящих в международных консорциум стран Баренц-региона. Экологическая ситуация здесь определяется двумя основными факторами. Во-первых, это особенности климатического и географического положения: ограниченное число открытых природных водоемов – источников питьевого водоснабжения населения, ограниченные запасы подземных вод, сильное влияние моря в прибрежных районах, заболоченность территории, суровый климат. Во-вторых, Европейский Север России – регион, где в результате наличия значительных природных ресурсов сконцентрированы предприятия добывающей промышленности и химико-лесного комплекса, создающие специфику техногенного воздействия на природные водоемы. Все это в полной мере определяет особенности решения задачи обеспечения населения питьевой водой в Архангельской области.
Единственной крупной водной артерией в регионе является река Северная Двина. Ее бассейн общей площадью 375тыс.км2 объединяет три бассейна: Северодвинский и рек Вычегды и Сухоны. Территориально он охватывает Архангельскую, Вологодскую, Кировскую области и Республику Коми.
Речная система Северной Двины в течение многих десятилетий испытывает значительное антропогенное воздействие, связанное с работой промышленности, прежде всего целлюлозно-бумажной, и предприятий энергетики. В целом в речную систему поступают сточные воды более 140 предприятий, а также коммунально-бытовые сточные воды городов и поселков.
Самой загрязненной является устьевая область Северной Двины, куда поступают сточные воды Архангельского и Соломбальского ЦБК, и где аккумулируются загрязняющие вещества, транспортируемые речными водами со всего водосборного бассейна. Следует также заметить, что на данном участке происходит смешение речных и морских вод. Все эти факторы оказывают огромное влияние на формирование химического состава вод данной области.
Ситуация осложняется тем, что Северная Двина служит основным источником водоснабжения. Более 70% населения, проживающего вблизи реки, используют ее воду в качестве питьевой. Особенно неудачно выбрано местоположение створа существующего водозабора города Архангельска. Он находится в устьевой части реки, куда поступают разбавленные сточные воды фактически всех целлюлозно-бумажных предприятий, расположенных в бассейне Северной Двины. Водозабор оказался также в зоне сброса городских хозяйственно-бытовых, ливневых и производственных стоков и в зоне влияния соленых вод Белого моря. Длительное использование питьевой воды с нарушением гигиенических требований к ее химическому составу обуславливает развитие различных заболеваний.
Сложившаяся в Архангельской области ситуация типична для большинства регионов Европейского Севера России. Поэтому, подчеркивая социальную значимость и актуальность проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой, необходимо определить приоритетные задачи по созданию эффективной системы экологического мониторинга водных объектов – источников питьевого водоснабжения.
Наиболее эффективный путь решения этих задач заключается в гармонизации европейского и российского подходов с использованием наилучших результатов отечественной и зарубежной практики. Далее описывается наш опыт, полученный в ходе выполнения совместного проекта.
О проекте
Проект программы ТАСИС «Повышение качества питьевой воды в Северо-Западном регионе России» проводится при поддержке Европейского Союза с июня 2005 г. Данный проект реализуется консалтинговым консорциумом немецкой компании FICHTNER Gmb&Co.KG и российской компании ЗАО «ЦПРИП Проспект». Российским партнером по проекту является Департамент природных ресурсов Архангельской области, тесно сотрудничающий с другими учреждениями и финансирующими организациями области.
В рамках проекта разрабатывается программа осуществления мониторинга и контроля качества питьевой воды с целью определения путей предотвращения загрязнения поверхностных вод, формируются рекомендации по пересмотру подходов и методик оценки качества воды, исследуются возможности использования альтернативных источников питьевой воды, усовершенствования процедур анализа качества воды в местах отбора проб. Полученные результаты стали основой распределенной системы контроля и управления качеством воды на базе технологии ГИС.
Концепция распределенной системы управления качеством питьевой воды
Информационная система управления качеством воды призвана обеспечить хранение информации и обмен ею между вовлеченными сторонами и другими финансирующими организациями области. Создание такой системы позволит осуществлять постоянный мониторинг и контроль качества питьевой воды. Разработку данных мероприятий необходимо вести в соответствии с применимыми законодательными актами и стандартами, на базе новых информационных технологий, основанных на последних достижениях науки и техники и направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду.
На первом этапе разработки концепции системы важно было определить ее структуру, разработать модель данных, выяснить конкретные функции каждого подразделения и определить имеющиеся ресурсы.
Описание существующей системы мониторинга водных объектов в Архангельской области и распределения обязанностей между различными ведомствами является довольно сложной задачей. Имеется большое число подразделений разного уровня подчиненности, ответственных за сбор контролируемых данных, сложная структура обмена потоками информации (рис. 1). Недостаточное административное и законодательное распределение функций по осуществлению экологического мониторинга водных объектов приводит к наложению и появлению разнородных, часто недостоверных и противоречивых данных. Отсутствует единый автоматизированный центр по обработке и систематизации результатов контроля, анализа и публикации данных. Все это снижает эффективность проведения комплексного экологического мониторинга поверхностных водных объектов.
Рис. 1. Структура обмена информацией между ведомствами.
В связи с этим была предложена концепция построения многоуровневой информационной системы управления качеством питьевой воды. Она включает единое централизованное хранилище географических и нормативных данных, а также персональные базы данных в организациях различной ведомственной подчиненности. Предполагается, что система будет работать в условиях четкого распределения функций по осуществлению каждого вида мониторинга, межуровневого информационного взаимодействия, оптимизации наблюдательной сети с использованием современных систем обработки и представления эколого-аналитической информации. При такой организации (рис. 2) каждое подразделение получает возможность доступа к единому хранилищу информации, осуществляет наполнение, обработку, анализ своих данных на местах, формирует отчетные документы и публикует результаты.
Рис. 2. Структура многоуровневой распределенной системы управления.
Создание такой системы обеспечит возможность оптимизации водоснабжения населения, использования подземных вод в качестве альтернативных источников питьевой воды, поддержку принятия управляющих решений в области рационального природопользования и охраны окружающей среды. Система должна строиться на базе современных информационных технологий, а именно геоинформационных систем. ГИС обеспечат централизованное хранение распределенной, пространственно привязанной информации, наглядное представление экологической ситуации на карте, предоставление результатов контроля и анализа заинтересованным сторонам посредством сети Интернет.
Геоинформационная система контроля и управления качеством воды
Система контроля и управления качеством воды построена на базе семейства программных продуктов ArcGIS 9. В качестве анализируемого водного объекта для демонстрации возможностей системы выбран бассейн реки Северная Двина.
Пространственная основа системы анализа. Для визуализации результатов исследований и их пространственного анализа была создана топооснова на базе листов карт масштаба 1:200 000. Она представляет собой структурированный в виде отдельных слоев набор данных следующего содержания: административная граница с разбивкой на районы; административные территории; города (крупные – полигоны, средние и мелкие – точечные объекты); автодороги; железные дороги; водоемы; реки; болота.
Для лучшей визуализации результатов анализа в систему подгружен растр карты и осуществлена его пространственная привязка (рис. 3). Включение растрового изображения позволяет использовать при анализе объекты, не входящие в перечень векторных слоев базы геоданных, например таких, как заказники, охраняемые территории, отметки высот и т.д.
Рис. 3. Пространственная основа системы анализа.
Слой пунктов наблюдения. Наблюдения на водных объектах осуществляются на государственном, территориальном и локальном уровнях. Мониторинг за загрязнением поверхностных вод в рамках Государственной сети наблюдений (ГСН) в бассейне Северной Двины осуществляет Северное межрегиональное территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Северное УГМС) Росгидромета. При наличии организованного сброса сточных вод на водотоках один пункт наблюдений включает несколько створов выше и ниже источника загрязнений. Наблюдения за качественным состоянием воды в бассейне реки в рамках территориальной сети наблюдений (ТСН) ведется наблюдательной сетью ФГУ «Двинарегионводхоз».
Слой пунктов наблюдений контроля качества вод в бассейне Северной Двины представляет собой класс пространственных объектов с типом геометрии – мультиточка. Атрибутивная информация включает: код пункта наблюдений, наименование пункта наблюдений, наименование водного объекта, количество створов, категорию пункта наблюдений, наименование органа наблюдений, описание расположения створа, расстояние от устья, сеть наблюдений.
На электронной карте слой пунктов наблюдений отображается принятыми условными знаками, в зависимости от типа наблюдательной сети (рис. 4). Для пунктов наблюдений реализована система подсказок (MapTips) – при наведении курсора на местоположения постов можно увидеть их описания. Использование инструмента «идентификация» позволяет получить полную информацию о выбранном пункте наблюдения.
Рис. 4. Слой пунктов наблюдения и структура атрибутивной информации.
База результатов контроля. Эта база содержит данные гидрохимических наблюдений на сети ГСН Северного УГМС. В нее занесены значения среднегодовых концентраций ингредиентов и показателей качества вод по всем пунктам сети ГСН в бассейне реки Северная Двина. Все данные могут быть связаны с пространственной информацией – пунктом наблюдения через общие атрибутивные поля – номер поста.
База результатов контроля хранится в формате таблиц Access вместе со слоем пунктов наблюдений в базе геоданных. Выбранный формат хранения данных позволяет в случае необходимости производить дальнейшее наполнение и использование результатов при отсутствии у конечного пользователя программного обеспечения ArcGIS. Обеспечивается легкая возможность конвертации данных в случае их представления в виде таблиц Excel и обмен между другими приложениями Microsoft Office. В случае дальнейшего развития системы управления качеством воды и использования сетевых баз данных, таких как SQL Server, Oracle и др., также обеспечивается возможность конвертации из формата mdb без потери данных, связей и функциональности.
Анализ качества воды. Оценка загрязненности поверхностных вод в бассейне Северной Двины производится на основе базы контрольных измерений и исследования динамики изменения концентраций ингредиентов в пространстве и во времени. Связь с нормативной базой, содержащей значения предельно-допустимых концентраций, позволяет получать нормированные оценки и рассчитывать интегральные показатели (представление состояния водного объекта по ИЗВ).
Наличие пространственных закладок позволяет легко отобразить на мониторе интересующий участок (верховье реки, среднее течение, устье), а настройка детальности отображения слоев в зависимости от заданного масштаба исключает перегруженность карты.
Для визуализации гидрохимического состояния водных объектов был сформирован ряд ГИС проектов и построены тематические карты по разработанной ранее системе запросов.
На основе полученных данных созданы диаграммы (рис. 5), позволяющие наглядно представить изменение концентраций в пространстве, по течению реки от Котласа до Архангельска (ж.д. мост). Исследования показывают, что на всем протяжении реки загрязняющими веществами оставались соединения железа, меди, цинка, трудноокисляемые органические вещества, лигносульфонаты, на отдельных участках к ним добавлялись фенолы и нефтепродукты.
Рис. 5. Изменение концентраций загрязняющих веществ по течению реки Северная Двина.
Средствами ArcGIS создан инструмент запроса и шаблон диаграммы, позволяющий проанализировать тенденции концентраций ингредиентов и показателей качества вод во времени для выбранного пункта наблюдений. Выбрав интересующий пункт наблюдения на карте и открыв диаграмму «Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в воде», можно получить наглядную картину изменения ситуации по заданным ингредиентам (рис. 6).
Рис. 6. Тенденции концентраций ингредиентов в речной воде в районе Котласского ЦБК.
Созданная модель частного водосбора реки Северная Двина позволяет построить тематическую карту по результатам комплексных оценок (индексу загрязнения воды). Они свидетельствуют (рис. 7), что качество воды в Северной Двине определяется 4-м классом разрядом «а» (грязная) и 3 классом, разряд «б» (очень загрязненная).
Рис. 7. Оценка загрязнения по ИЗВ.
Построение отчетов. Наряду с проведением анализа и отображением ситуации на карте система позволяет формировать отчетные документы. Числовые данные могут быть занесены в отчетные формы принятого стандарта и выведены на печать, внедрены в документы других форматов (Word, Excel и др.) и сохранены в файле. В режиме компоновки имеется возможность готовить отчетные документы, включающие в себя тематические и аналитические карты, карты-врезки, отображающие разные территории, диаграммы, графики, таблицы и много другой необходимой информации.
Публикация карт в Интернет. Одним из основных преимуществ созданной ГИС анализа качества воды является возможность предоставления информации удаленному пользователю через всемирную сеть Интернет. При этом у пользователя могут и не быть установлены никакие ГИС программы, достаточно обычного Internet Explorer. С его помощью можно просматривать не только статическую картинку, но и в интерактивном режиме осуществлять навигацию, приближая изображение к интересующим объектам, включать и выключать слои, надписывать объекты и т.д.
В системе реализована возможность разделения прав доступа к разной информации в зависимости от уровня привилегий удаленного пользователя.
Аналогом публикации карт в сети Интернет может быть использование бесплатного приложения ArcReader от компании ESRI, имеющего функции навигации, просмотра и анализа опубликованных документов карт (рис. 8).
Рис. 8. Пример публикации карты в приложении ArcReader.
Заключение
Создание системы анализа и управления качеством воды на базе ГИС в среде ArcGIS ArcInfo 9 служит основой для построения многоуровневых Информационно-измерительные систем хранения, обработки и представления пространственно распределенной информации. Они предоставляют широкие возможности организации централизованного хранилища геоданных, наполнения, редактирования и обработки персональных баз данных на местах, разделения прав доступа для различных групп пользователей и обеспечивают доступ к информации заинтересованным лицам через сеть Интернет без необходимости приобретения специального программного обеспечения. Возможности наглядного представления результатов анализа, формирования отчетных документов с использованием картографических материалов в сочетании с доступностью информации обеспечивают создание системы поддержки принятия управляющих решений с целью повышения качества питьевой воды и рационального природопользования.
Литература
1. Аналитическая записка к техническому заданию по проекту ТАСИС «Повышение качества питьевой воды в Северо-Западном регионе России», проф. Боголицын К.Г., д.х.н., Архангельский государственный технический университет.
2. «Обзор качества поверхностных вод на территории Архангельской области за 2004 г.», Коробов В.Б., Оленичева А.В., ГУ Архангельский ЦГМС-Р.
3. Технический отчет к Промежуточному отчету №3 «Создание центральной компьютеризированной информационной системы управления (ИСУ/ГИС), единой для всех организаций, регулирующих качество воды, и способствующей укреплению институциональной структуры», Бельмеж Ч., Вебер М., Куракина Н.
