ГИС экологического сопровождения инвестиционно-строительных проектов в нефтегазовой отрасли

Вадим Хромых,
к.г.н., Томский госуниверситет, каф. Географии, geomon@mail.tomsknet.ru

Экологическое сопровождение инвестиционно-строительных проектов в нефтяной и газовой промышленности включает ряд нормативных документов, важнейший из которых — Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС). Среди основных недостатков при составлении ОВОС можно отметить отсутствие комплексного подхода и выбора альтернативных вариантов, т.е. моновариантность размещения объектов. Из других недостатков следует указать слабое использование новейших методов и инструментов проведения оценки (специализированные компьютерные системы, дистанционное зондирование и т.п.). Как следствие, возникают дополнительные материальные и финансовые затраты при производственной деятельности (штрафные санкции за загрязнение окружающей среды и плановые платежи за природопользование, чаще всего не оптимальные по возможным суммам).
При описании состояния природной среды особое внимание следует уделять использованию системного подхода, рассматривая компоненты окружающей среды в рамках единых природно-технических систем. Это подразумевает обработку гигантских объёмов информации по всем компонентам ландшафтов, что возможно только при наличии у разработчика мощного инструмента — ГИС экологического сопровождения проекта.
К сожалению, до сих пор применение ГИС на различных этапах экологического сопровождения (ОВОС, экологический мониторинг) зачастую ограничивается электронной картографией, т. е. цифрованием готовых бумажных авторских оригиналов. Во многих случаях отсутствует интеграция (оверлей) с помощью ГИС различных источников пространственной информации для создания новых карт, например, ландшафтных или ландшафтно-экологических. До сих пор слабо разработаны методики оценки устойчивости ландшафтов к техногенному воздействию на основе пространственного моделирования в ГИС. По мнению автора, в большинстве организаций, занятых экологическим сопровождением проектов и обладающих дорогостоящим аппаратным и программным обеспечением (например, ArcInfo), реально используется лишь 30-40 % возможностей этих комплексов. Причина этого, видимо, кроется в преобладающем до сих пор в нашей стране программистско-математическом отношении к ГИС. Во многих организациях с ГИС работают в основном специалисты, пришедшие из физико-математических наук (в лучшем случае — геодезисты). Очень редко присутствуют в соответствующих отделах организаций специалисты-природоведы (ландшафтоведы, почвоведы, геологи, лесоведы, ботаники). А ведь современные программные средства для работы с ГИС развиваются по пути постоянного упрощения пользовательского интерфейса и ориентированы, прежде всего, на специалистов-прикладников природоведческого профиля. В то же время, разработка методики создания и применения экологических ГИС для решения задач управления окружающей средой становится все более актуальной.

Экологические ГИС

По типологии экологические ГИС можно отнести к классу научно-производственных систем локального уровня. Как правило, они охватывают территорию площадью 50-500 км2 и создаются в масштабе 1:25 000 и крупнее.
Можно выделить 5 основных этапов применения ГИС при экологическом сопровождении инвестиционно-строительных проектов:

создание электронной ландшафтной карты, база данных которой должна объединять сведения обо всех компонентах геосистем, включая информацию о наличии и стоимости промысловых видов природных ресурсов (экономическая составляющая БД);
оценка устойчивости геосистем (и их отдельных компонентов) к различным видам антропогенного воздействия на основе интегральных балльных оценок по факторам устойчивости и добавление этих оценок в базу данных электронной ландшафтной карты (экологическая составляющая БД);
интеграция карт устойчивости ландшафтов к техногенной нагрузке с картами объектов обустройства и выделение потенциально опасных для хозяйственного освоения участков территории (оценка экологического риска);
выбор оптимальной стратегии при проектировании с учётом как экономической, так и экологической составляющих базы данных (поддержка принятия управленческих решений);
организация на базе ГИС системы экологического мониторинга с использованием материалов наземных (полевых) наблюдений и ДДЗ, включая космические снимки сверхвысокого разрешения.

Рис. 1.

Структура информационного обеспечения такой ГИС представлена на рис. 1. Основной объём пространственной информации, хранящейся в системе, составляют данные, полученные в результате пространственного анализа в ГИС. Таким образом, информационный КПД подобной системы достигает 300-400 %. В роли информационных полюсов выступают ландшафтная карта и цифровая модель рельефа. От этих полюсов «меридианами» расходятся информационные связи с другими, в основном, производными тематическими картами. Пересечения информационных потоков от «природных» и «хозяйственных» элементов системы порождают «эколого-экономический» информационный банк данных, служащий основой при обосновании выбора различных вариантов хозяйственного использования территории. Поддержка принятия управленческих решений в экологической ГИС реализуется за счёт интеграции пространственных данных естественного (природного) и антропогенного (хозяйственного) характера и создания единого «эколого-экономического» пространства, где экономические и экологические показатели находятся в тесной взаимосвязи. Это позволяет менеджеру довольно быстро и легко получить ответ на запросы, возникающие в процессе управления окружающей средой.
В качестве программного обеспечения используются продукты ESRI Inc.: полнофункциональный программный комплекс ArcInfo и настольная ArcView GIS с модулями Spatial Analyst и 3D Analyst. Для работы с ДДЗ лучше всего подходит ERDAS IMAGINE (ERDAS Inc.). Такой выбор обусловлен отличной сочетаемостью этих программ друг с другом, потрясающей функциональностью и скоростью при работе с большими объёмами пространственных данных.

На начальном этапе доступны, как правило, следующие исходные данные:

топографические карты масштаба 1:25 000;
карты лесной инвентаризации (кадастровые данные лесотаксационной съёмки) масштаба 1:50 000;
почвенные карты масштаба 1:100 000 и мельче;
геологические карты масштаба 1:200 000;
проектная документация (карты транспортных коридоров и хозяйственных объектов масштаба 1:10 000 и крупнее);
материалы полевых исследований (ландшафтные профили, геоботанические площадки, точки отбора проб и их координаты на основе GPS-съёмки).

Важным источником информации являются ДДЗ: материалы многомаршрутной аэрофотосъёмки масштаба 1:10 000 или 1:15 000, а также космические снимки высокого и сверхвысокого разрешения (Ресурс-О, SPOT, IRS, Ресурс-Ф, Комета, Ikonos и т.п.).
Геологические, почвенные карты и космические снимки со спутников «Ресурс-О» в силу большой невязки масштаба с остальными источниками использовать напрямую для цифрования и пространственных операций в ГИС затруднительно, однако их необходимо активно применять при составлении ландшафтной карты на начальном этапе для определения границ геосистем более высокого иерархического уровня (типов местности).
Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) осуществляется при помощи команды Createtin в ArcInfo. Источником данных служат оцифрованные с топоосновы высотные отметки (mass points), горизонтали, гидросеть и урезы воды (breaklines). Для корректировки используются материалы полевых исследований (нивелирные трассы ландшафтных профилей и материалы проектировщиков). Полученная триангуляционная сеть служит основой для последующих карт углов наклона поверхности, экспозиций склонов (команда Tinarc), геохимических миграций на основе поверхностного стока, а также трёхмерных моделей (рис. 2).

Рис. 2. Трёхмерная модель рельефа Чкаловского нефтяного месторождения (вертикальный масштаб в 10 раз крупнее горизонтального).

При создании ландшафтной карты сначала определяются границы типов местности. Ведущая роль при дифференциации отводится геоморфологическим факторам. Большое значение при этом имеет ЦМР. Так, к склонам междуречий можно отнести все смежные территории (треугольники сети) с углами наклона >2,5-3о (команда Eliminate). Следующим шагом является определение границ геосистем уровня урочищ. На этом уровне районирования усиливается роль границ растительного и почвенного покрова. Для определения границ типов растительности используются ДДЗ. Аэрофото- и космические снимки дешифрируются в пакете ERDAS IMAGINE. Для этого они сначала привязываются к растру топокарты, затем выделяются полигоны со сходной яркостью и структурой изображения и сопоставляются с данными топокарты, лесной инвентаризации и полевых наблюдений. Полученный слой полигонов конвертируется в систему ArcInfo. При оверлейных операциях особенно осторожно следует подходить к удалению «паразитных» полигонов (команда Eliminate), т. к., например, большинство ландшафтов в центральной пойме имеет вытянутую структуру. Для наполнения атрибутивной базы данных по типам урочищ можно создать простой файл (TXT) в таблице INFO, а затем с помощью команды Joinitem осуществить слияние атрибутивной БД (TXT) с пространственной (PAT). В результате получается гигантская база данных, где по каждому полигону ландшафтной карты имеются сведения (атрибуты) о каждом компоненте ландшафта.
Для определения устойчивости ландшафтов к различным видам антропогенного воздействия можно использовать интегральные балльные оценки по следующим факторам устойчивости:

мощность геосистемы (общая биомасса);
увлажнённость (соответствие накопленной в системе влаги величине испаряемости);
возможность развития эрозионных процессов;
динамическое состояние.

Так, для оценки эрозионной опасности земель необходимо определить средний уклон каждой геосистемы. Для этого в ArcInfo проводится наложение (команда Intersect) ландшафтной карты и карты рельефа на основе TIN (команда Tinarc), а затем статистический анализ средствами ArcView GIS полученного векторного покрытия, в котором каждому полигону соответствует только один тип ландшафтной системы и только один участок (треугольник) триангуляционной сети (TIN) с полным набором атрибутивной информации в базе данных (площадь, тип урочища, угол наклона, экспозиция склона и т.п.). Полученная балльная оценка должна быть усилена дополнительными коэффициентами КР (наличие растительности) и КП (характер почвенного покрова).

Рис. 3.

Применение ГИС выводит процесс принятия управленческих решений в экологическом менеджменте на совершенно новый качественный уровень. Возникает возможность детальной оценки каждого варианта проекта по степени воздействия на каждый из компонентов природного комплекса и на геосистему в целом. При этом можно оценить также экономическую эффективность каждого варианта. Например, при прокладке коридоров коммуникаций необходимо рассчитать прямой экономический ущерб промысловым видам природных ресурсов из-за изъятия земель. Для этого в ArcInfo (команда Intersect) происходит сложение ландшафтной карты с картой транспортных коридоров и отбрасывается вся остальная территория, не попадающая в зону отвода земель. Вычисляется площадь каждого ландшафта в полосе отвода и ущерб из-за изъятия промысловых видов природных ресурсов (т.к. каждый ландшафт в базе данных будет содержать сведения о наличии и урожайности этих ресурсов) (рис. 3). Выделение «буферных зон» для границ некоторых ландшафтов позволяет уточнить оценку (скажем, клюква имеет наибольшую урожайность по окраинам болот). Используя карту геохимических миграций на основе поверхностного стока, построенную с помощью ЦМР, можно с высокой степенью достоверности предсказать участки возможного подтопления автодорог (рис. 4).

Рис. 4. Участки возможного подтопления на основе ЦМР и направлений поверхностного стока

Для получения более наглядных сведений об объектах и ландшафтах территории в среде ArcView возможно организовать «горячие связи» с фотографиями, аэрофотоснимками, текстовыми и табличными документами (рис. 5).

Рис. 5. «Горячие связи» в ArcView.