Эко-бюллетень ИнЭкААрхив№ 4 (135) > ТЕМА НОМЕРА: КАЧЕСТВО ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Геоинформационное картографирование для оценки водно-экологической ситуации

(опыт на примере Алтайского края)

Понятия «водные проблемы», «водно-экологическая ситуация», «гидроэкологическая безопасность» связаны с неудовлетворенностью человека состоянием водных объектов с позиции условий его жизнедеятельности. В процессе хозяйственной деятельности, практически неотъемлемо сопровождающейся использованием водных ресурсов, уже возникли и постоянно возникают многочисленные проблемы водообеспечения, водоподготовки, мелиорации, загрязнения вод, водоотведения, истощения водных объектов и пр.

И.Н. Ротанова, В.Г. Ведухина

Гость номера:
РОТАНОВА Ирина Николаевна,
заместитель директора по научной работе, заведующая лабораторией эколого-географического картографирования Института водных и экологических проблем СО РАН, доцент кафедры физической географии и геоинформационных систем Алтайского государственного университета.
Окончила Новосибирский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии (НИИГАиК) по специальности «Картография» в 1984.
С 1996 г. кандидат географических наук, доцент с 2004 года, специалист в области эколого-географических исследований, экологического картографирования и геоинформатики, автор 56 и соавтор 288 научных работ, в том числе 6-ти монографий, 2-х картографических атласов, 25 журнальных статей.
Ириной Николаевной разработаны теоретические основы и методические подходы ландшафтно-экологического анализа и эколого-географического картографирования с применением геоинформационных технологий. Значительное место в исследованиях И.Н. Ротановой занимают вопросы фундаментальных исследований в области экологической географии, картографии, геоинформационных технологий, дистанционного зондирования.
В настоящее время Ротанова И.Н. является ответственным исполнителем проектов НИР СО РАН. При непосредственном участии и руководстве блоками работ Ириной Николаевной проводились исследования в ряде крупных проектов: Катунской ГЭС, охраны окружающей среды и оздоровления населения территорий Семипалатинского полигона, системы особо охраняемых природных резерватов Сибири, схем территориального планирования и др.
И.Н. Ротанова – научный эксперт Международного координационного совета «Наш общий дом Алтай». В составе коллектива является лауреатом экологической премии «Экомир – 2006 г.», лауреатом Национальной экологической премии Фонда Вернадского 2006 г.; дипломантом конкурса «Национальная экологическая премия 2007 г.» за серию водно-экологических карт.

Особенности географического положения и природных условий Сибири обусловили сосредоточение значительной части населения и хозяйственного потенциала на юге Западной Сибири в бассейне Верхней Оби, к которому относится большая часть Алтайского края.

Алтайский край является не только крупным потребителем водных ресурсов, но и существенным источником формирования загрязнения природных вод. Большая часть работ по оценке качественного состояния поверхностных вод Алтайского края основана на анализе непосредственных данных гидрохимических и гидробиологических стационарных наблюдений и экспедиционных исследований, в том числе с применением различных математических моделей распространения загрязнения в русле реки и поступления загрязняющих веществ с территорий водосборных бассейнов в водные объекты. Сокращение сети стационарных постов наблюдения за окружающей средой, недочеты, присущие стационарному и экспедиционному видам наблюдений, сложность построения и применения математических моделей делают актуальным использование для оценки водно-экологической обстановки края методики картографического анализа, которая позволяет произвести комплексную оценку качественного состояния поверхностных вод и выявить пространственное расположение и взаимодействие основных источников воздействия, природных факторов, определяющих поступление загрязняющих веществ в водные объекты и самоочищение вод, на основе официально предоставляемой общедоступной информации и стандартных средств геоинформационного программного обеспечения.

Система геоинформационно-картографических методов, которые позволяют осуществлять ввод, хранение, обработку, отображение и интегрирование пространственно-временной информации о водно-экологической ситуации, является неотъемлемой частью мониторинга качества поверхностных вод.

Водно-экологическое картографирование применимо в рамках выполнения основных задач управления водными ресурсами Алтайского края: при разработке современных методов и средств оценки состояния водных объектов и прилегающих территорий с целью своевременного снижения антропогенных воздействий на водные объекты; для оценки роли различных источников загрязнения в общем процессе формирования качества воды, а также отвечает основным стратегическим направлениям совершенствования мониторинга водных объектов, в том числе совершенствованию технологии обработки информации и ведения баз данных о состоянии водных объектов.

Водно-экологическое картографирование включает несколько основных направлений: картографирование качественного состояния водных объектов, антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны, самоочищения поверхностных вод и условий выноса загрязняющих веществ с водосборных территорий в водные объекты, медико-гигиенической обстановки, связанной с качеством воды, водоохранных мероприятий и организации водопользования. Применение данных направлений в комплексе для единой территории позволяет решать информационно-справочные и аналитическо-оценочные задачи при изучении процессов, состояния и взаимосвязей отдельных компонентов в системе «водные объекты – водосборные бассейны – антропогенное воздействие – водно-экологические проблемы».

Геоинформационное водно-экологическое картографирование, отражающее пространственно-временные аспекты взаимодействия в системе «водные объекты –водосборные бассейны – антропогенное воздействие – водно-экологические проблемы – гидроэкологическая безопасность», образует самостоятельное направление в тематическом картографировании, позволяющее на основе создания взаимоувязанной серии карт аналитико-оценочного содержания проанализировать водно-экологическую обстановку, в том числе в условиях недостаточного информационного обеспечения.

Для полноценного научного оформления рассматриваемого направления понадобилось научное обобщение опыта работ, разработка единого методологического подхода к созданию водно-экологических карт с выделением основных принципов исследования, тематическое наполнение подсистем водно-экологических ГИС.

Среди общенаучных принципов, применимых к водно-экологическому картографированию с использованием ГИС-технологий, наиболее важными являются принципы системности картографирования и картографического моделирования.

Первый принцип определят: выбор объекта оценки (система «объект-среда»); центрального субъекта оценки; целевой ориентации; критериев объективности информации; логичность, внутреннее единство и тематическое содержание карт, используемых в водно-экологических исследованиях.

Принцип картографического моделирования включает: математическую формализацию, картографическую символизацию, картографическую генерализацию, открытость легенды, картографическую комплексность и синтез.

При разработке структуры и содержания карт водно-ландшафтно-экологической тематики выявлены и учтены основные природно-антропогенные факторы формирования водно-экологической обстановки, которые включают характеристики источников прямого и опосредованного воздействия на поверхностные воды, и физико-географические особенности территории, регламентирующие процессы выноса загрязняющих веществ в водные объекты, и условия самоочищения поверхностных вод.

В качестве прямых источников воздействия выступают промышленные предприятия и населенные пункты, выполняющие водоотведение непосредственно в водные объекты. Основными источниками опосредованного воздействия являются промышленные предприятия и городские населенные пункты, которые осуществляют водоотведение в отстойники и на поля фильтрации, а также неблагоустроенные населенные пункты и животноводческие предприятия. Значительное количество загрязняющих веществ поступает с талыми и дождевыми водами.

При анализе использован подход интеграции стационарных (гидрохимических и гидрологических) и косвенных данных, включающих количественную информацию по условиям антропогенного преобразования водосборных территорий, по прямому воздействию на поверхностные воды, процессам трансформации и разбавления загрязняющих веществ, природным факторам, влияющим на активность процессов геохимической миграции загрязняющих веществ в системе водосбор – водный объект. Такой подход позволяет дополнять недостаток информации и проводить комплексный водно-экологический анализ территории. Данные наработки сформулированы в виде алгоритма и включены в методику среднемасштабного водно-экологического картографирования регионального и субрегионального уровней. Алгоритм включает этапы сбора и обработки исходных статистических, картографических и данных инструментальных наблюдений; создание на их основе базы данных; разработку структуры содержания и легенд карт, построение картографических моделей и анализ водно-экологической обстановки. В качестве операционных единиц картографирования Алтайского края выбран 41 водосборный речной бассейн.

В качестве цифровой картографической основы использованы слои цифровой топографической карты масштаба 1: 200 000 на Алтайский край, дополненные тематическими слоями: электронной карты земельного фонда Алтайского края, масштаб 1:500 000; слоем с водосборными бассейнами, выделенными на основе топографической карты, масштаб 1:200 000 и ландшафтной карты, масштаб 1:500 000; слоем, отображающим пункты наблюдения за качеством поверхностных вод Алтайского края; слоем с «точками» организованного водоотведения сточных вод предприятий. Пространственная привязка «точек» водоотведения сточных вод к цифровой картографической основе и создание соответствующего информационного слоя произведена на основе данных, содержащихся в статистической форме отчетности 2 ТП-водхоз с учетом поправочных коэффициентов.

При пространственной привязке перечисленных атрибутивных геоданных к картографической основе созданы следующие группы слоев базовых карт Алтайского края:

  • гидрографическая сеть (реки, озера, водохранилища) и водосборные бассейны;
  • социально-административные (административное деление и населенные пункты) объекты;
  • сеть мониторинга поверхностных вод (гидрологические и гидрохимические посты);
  • водоотведение сточных вод предприятиями;
  • сельхозугодья и леса.

Помимо перечисленных баз геоданных в описательную информацию информационных слоев вошли морфометрические и физико-географические параметры водосборных бассейнов и сельхозугодий.

Разработанная методика водно-экологического среднемасштабного картографического анализа территории позволяет в условиях недостаточного обеспечения данными стационарных наблюдений проводить комплексную водно-экологическую оценку поверхностных вод на двух уровнях территориального охвата: региональном, на котором объектами картографирования являются крупные и средние озерно-речные системы и их водосборные бассейны, в том числе в пределах единиц административного деления; субрегиональном, на котором объектами картографирования являются выявленные на региональном уровне объекты (бассейны рек) с наиболее острой водно-экологической обстановкой.

Карты составлены на основе многолетних статистических данных по водоотведению сточных вод, внесению минеральных и органических удобрений, применению ядохимикатов, поголовью скота, численности населения; данных мониторинга поверхностных вод (гидрохимических и гидрологических); топографических и тематических карт; материалов экспедиционных работ, проводимых ИВЭП СО РАН и другими организациями, в том числе данных мониторинга загрязнения снежного покрова.

Объекты картографирования – водосборные бассейны – подразделены согласно границам физико-географического районирования и нисходящей порядковой классификации рек по Хортону-Штраллеру. На региональном уровне – это фрагменты крупных озерно-речных систем и их водосборных бассейнов с учетом региональной физико-географической дифференциации территории; озерно-речные системы и водосборные бассейны средних рек; область внутреннего стока и озерно-речные системы, относящиеся к ней. На субрегиональном уровне – озерно-речные системы притоков средних рек.

Методика создания серии среднемасштабных водно-экологических карт базируется на применении программных средств ArcView и ArcGIS. Серию карт и их информационное обеспечение можно подразделить на ряд блоков:

  1. базовые «адресные» карты;
  2. карты качества поверхностных вод;
  3. карты условий самоочищения поверхностных вод;
  4. карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны (рис. 2);
  5. комплексные карты ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод.

Базовые адресные карты служат пространственно-территориальным каркасом, к которому в дальнейшем привязывается атрибутивная геопространственная информация, и на основе которого создаются тематические слои. На них отображается основная физико-географическая, социально-экономическая информация, пункты мониторинга качества поверхностных вод, мониторинга загрязнения снежного покрова; показатели водоотведения сточных вод.

Карты качества поверхностных вод содержат информацию по уровню загрязнения поверхностных вод с помощью частных и комплексных оценочных показателей. В качестве основного комплексного показателя, характеризующего качество поверхностных вод, используется индекс загрязнения воды (ИЗВ) и выделенные на его основе классы качества воды. ИЗВ является, несмотря на ряд недостатков, наиболее распространенным и часто применяемым показателем, который используется при комплексной оценке загрязнения поверхностных вод по гидрохимическим данным.

Карты условий самоочищения вод содержат характеристики потенциала трансформации и разбавления загрязняющих веществ за счет химических (окислительных) и физических (разбавление) процессов. Процесс самоочищения при картографировании рассматривается с двух позиций:

  • отображается оценка природных условий самоочищения (качественные показатели);
  • отображается оценка изменения концентраций загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения (количественные показатели).

Карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны включают инвентаризационные и оценочные слои. Инвентаризационные слои отображают количественные аналитические показатели, по которым в дальнейшем строятся оценочные слои, отражающие ранжирование территории по показателям антропогенной нагрузки и потенциалу выноса загрязняющих веществ в водные объекты. Частные оценочные слои содержат косвенную информацию, используемую при составлении комплексной карты уровня загрязнения поверхностных вод.

При ранжировании речных бассейнов по отдельным показателям используется кластерный анализ. Кластеризация позволяет выделить группы бассейнов с однородными значениями показателей в многолетнем периоде наблюдений. Для полученных в результате кластерного анализа групп водных объектов производится порядковое распределение согласно принятой шкале (шкалирование) с определением их ранга и взаимного порядка на основе значений показателей. При ранжировании показателей залесенности, эродированности и густоты речной сети использованы статистические модели, отображающие зависимость выноса загрязняющих веществ в водные объекты от данных показателей. Кластеризация позволила получить сравнительные оценки в условиях отсутствия нормативных значений показателей.

Комплексная водно-экологическая карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и загрязнению поверхностных вод обобщает содержание частных оценочных карт на качественно новом уровне. В основе построения данной карты лежит группа показателей, отображающих прямую и опосредованную антропогенную нагрузку на поверхностные воды, природные условия выноса загрязняющих веществ с территорий водосборов и самоочищения поверхностных вод. На основе комплекса показателей выделены кластерные группы водных объектов и их водосборных бассейнов, которые ранжированы по уровню антропогенной нагрузки. При ранжировании учитывалась неравнозначность факторов антропогенной нагрузки по их водно-экологической опасности. Ранжированные кластерные группы приводились к пятиинтервальной шкале оценки антропогенной нагрузки. Помимо оценки уровня загрязнения, комплексные карты позволяют идентифицировать основные типы источников загрязнения, что является важным при планировании водоохранных мероприятий.

Карты качества поверхностных вод Алтайского края включают две категории показателей, которые отображают: уровень загрязнения поверхностных вод по ИЗВ и кратность превышения нормативов по основным показателям, характеризующим уровень загрязнения водных объектов. По составленным инвентаризационным и оценочным водно-экологическим картам на территорию Алтайского края выполнен анализ водно-экологической обстановки.

Анализ картографической информации позволяет выделить две категории рек: с загрязненными и умеренно загрязненными водами.

К категории загрязненных рек относятся: Алей ниже Рубцовска, Алей ниже и выше Алейска; Барнаулка в устьевом створе и Кулунда в районе с. Баева. Для этих рек при значениях ИЗВ – 2,5-4,0 характерно превышение нормативных значений концентраций (здесь и в дальнейшем подразумеваются наиболее жесткие рыбохозяйственные нормативы) по нефтепродуктам в 9-10 раз и меди (для Алея и Барнаулки) в 7-8 раз. Концентрации фенолов для этих пунктов изменяются в диапазоне от 1,67 ПДК (в створе выше Алейска) до 3,67 (р. Кулунда – с. Баево); фосфатов от 0,61 до 3,04 ПДК соответственно. Максимальные превышения нормативных значений по БПК5 и ХПК наблюдаются в створе с. Баево (р. Кулунда) и устье р. Барнаулки – в 2; 4 и 1,56; 2,59 раз соответственно.

К умеренно загрязненным рекам (ИЗВ 1 – 2,5) относятся все остальные водотоки, на которых велись наблюдения. Максимальные превышения концентраций наблюдаются по нефтепродуктам: в фоновом створе г. Рубцовска (р. Алей) – более 10 ПДК; в створе свх. Чарышского (р. Чарыш) и фоновом створе г. Барнаула (р. Обь) – порядка 9 ПДК; 5-8 ПДК – на постах Чемровка-Мирный, Чумыш (Заринск и Тальменка), Обь-Камень-на-Оби; 1-3 ПДК – Катунь-Сростки; Каменка, Бия-Бийск; Обь-Фоминское; Песчаная-Точильное; Ануй-Ануйское. Среднемноголетние концентрации меди достигают 9-10 ПДК в створе г. Бийска (р. Бия), Камня-на-Оби (р. Обь) и Сросток (р. Катунь); 5-7 ПДК – в створах гг. Заринск (р. Чумыш); Барнаул (р. Обь) и Рубцовск (р. Алей). Превышение нормативных значений по фенолам для группы рек с умеренным уровнем загрязнения составляет не более 1-3 ПДК, а по фосфатам – 1-2 ПДК и менее. Наибольшие значения превышения нормативов по БПК5 и ХПК (4,02 и 1,42 соответственно) характерны для поста Чемровка-Мирный, на остальных реках значения по данным показателям изменяются в пределах от 0,32 (по БПК5); 0,54 (по ХПК) до. 1,89; 1,4 (соответственно).

Как видно из выполненного анализа, изменение качества поверхностных вод определяется не только наличием крупных источников загрязнения, к которым привязано расположение большинства постов наблюдения. Пространственные закономерности загрязнения водных объектов Алтайского края определяются комплексом природно-антропогенных факторов, в том числе процессами разбавления и трансформации загрязняющих веществ в водных объектах,

Геоинформационно-картографический подход открывает широкие возможности для водно-экологического пространственного анализа территории, включая:

  • пространственную привязку источников загрязнения и статистических баз данных, которые количественно и качественно характеризуют эти источники;
  • визуализацию и картографическое моделирование природных факторов, влияющих на загрязнение поверхностных вод и процессы их самоочищения;
  • формирование баз данных пространственно привязанной информации о территориальной дифференциации основных гидрохимических, физических, микробиологических, паразитологических и гидробиологических показателей, характеризующих загрязнение поверхностных вод и интегральных показателей качества поверхностных вод;
  • анализ взаимосвязей между источниками загрязнения и качеством поверхностных вод с учетом природных факторов, влияющих на поступление ЗВ в водные объекты, и процессов выноса, трансформации и разбавления ЗВ в водных системах;
  • выявление закономерностей формирования качественного состояния поверхностных вод и проведение комплексной оценки уровня их загрязнения в условиях недостаточной обеспеченности данными инструментальных наблюдений за качеством воды;
  • верификацию комплексных оценок качества воды, построенных по данным стационарных и экспедиционных наблюдений на основе косвенной информации о загрязнении поверхностных вод;
  • обширные возможности в отображении динамики процессов загрязнения поверхностных вод.

Результаты выполненных работ позволили впервые сформулировать подходы к созданию единой картографической модели Алтайского края с позиций ландшафтно-бассейновой иерархии с учетом качества водной составляющей.

Исследования поддержаны грантами РФФИ №№ 07-05-00869, 09-05-00920

 
ПОИСК ПО САЙТУ
© 2001-2017 ООО «ИнЭкА-консалтинг»
Контакты ИнЭкА:
+7 3843 720575
720579
720580
ineca@ineca.ru
создание сайтов