Информатика и анализ техногенных воздействий на природную среду

Полищук Ю.М.
Институт Химии Нефти СО РАН, Томск

Аннотация:

Введение

Наиболее существенными факторами техногенного воздействия на природную среду в российских регионах рассматриваются загрязнение атмосферы и поверхностных вод. Современная практика оценки воздействий техногенного загрязнения атмосферы на природную среду основана на использовании санитарно-гигиенических нормативов [4]. Однако такой формальный подход к оценке воздействий на ландшафтную сферу с ее совокупным биоразнообразием, не учитывающий реакцию экосистем на загрязнение окружающей среды, не является обоснованным.

Наиболее приемлемым, а часто и единственно возможным, является подход к оценке воздействия химического загрязнения на ландшафтную среду, основанный на определении площадей загрязненных ландшафтных выделов. Поэтому в наших работах [1,5] предложен комплексный подход к оценке воздействий, основанный на совмещении санитарно-гигиенического [2,4] и ландшафтно-геохимического [3] подходов. Однако такой комплексный подход требует использования больших объемов экологической, картографической и другой количественной информации о состоянии компонент природной среды, что практически невозможно без применения развитых методов и средств информатики, в частности, кластерного анализа, имитационного моделирования и геоинформатики. Использование геоинформационных систем (ГИС), позволяющих проводить одновременный анализ многомерных данных с использованием цифровых карт, упрощает процедуры экологического прогноза и оценку комплексного воздействия на природную среду, делает возможным оперативное выявление аномалий и принятие необходимых мер для их устранения.

Вопросы анализа воздействий техногенного загрязнения атмосферы на природную среду

Суть предложенного комплексного подхода к анализу воздействия загрязнения атмосферы на природную среду сводится к наложению на ландшафтную карту совокупности зон опасного загрязнения атмосферного воздуха выбросами из различных источников и определению размеров площадей ландшафтных выделов, находящихся под воздействием негативных факторов нефтедобычи, что позволяет выявить находящиеся в критическом состоянии компоненты природной среды. Под зоной опасного загрязнения понимается участок территории, в пределах которого уровень загрязнения превышает допустимые нормы.

Одной из важных задач является определение зон атмосферного загрязнения, которое в рамках нашего подхода основывается на моделировании рассеяния загрязняющих примесей в атмосфере и расчетах концентрации загрязняющих веществ с использованием среднегодовых данных об атмосферных выбросах предприятий. При этом применяются два вида моделей рассеяния, позволяющих определять концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере в зависимости от расстояния до источника выбросов и параметров этого источника. Модели первого вида, широко распространенные в международной природоохранной практике, известны как гауссовы модели рассеяния [4]. А модель первого вида, принятая в отечественной практике, составляет основу методики расчета уровня загрязнения воздуха, известной как методика ОНД-8 [2,4]. Обе из этих моделей использованы в разработанных нами комплексах для анализа воздействий на природную среду.

Обычно при анализе воздействий загрязнения на окружающую среду рассматривают два случая: загрязнение среды одним загрязняющим веществом и комплексное загрязнение, когда в атмосфере обнаруживается несколько веществ. В первом случае уровень загрязнения характеризуется концентрацией загрязняющего вещества в атмосфере, отнесённой к величине предельно допустимой концентрации (ПДК). Во втором случае используются различные показатели состояния окружающей среды. В настоящее время в качестве общепринятых показателей состояния среды, пригодных для оценки качества воздуха, кроме известных нормативов, например, ПДК, используются и обобщенные показатели, в частности, индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), который учитывает суммарное загрязнение атмосферного воздуха при одновременном присутствии нескольких веществ одного класса опасности [4]. На практике ИЗА определяется как сумма отношений концентраций загрязняющих веществ к их ПДК отдельно для определенных веществ первого, второго и третьего классов опасности.

Известно, что основным источником химического загрязнения атмосферного воздуха на разрабатываемых нефтяных месторождениях Западной Сибири являются факельные установки для сжигания попутного газа. Опасность их для природы связана с кумулятивностью действия загрязнителей и ``отложенностью'' биологических последствий. Вокруг факелов формируются обширные шлейфы аэрозольного загрязнения с небольшой концентрацией вещества. Их негативное воздействие усиливается мелкодисперсными продуктами неполного сгорания. Биологическое последствие аэрозольного загрязнения - усыхание лесов, может сказаться только лишь со временем, когда ``накопленные'' массы сажи и токсических веществ достигнут критических значений (что по-видимому и происходит с еловыми лесами Аганских увалов в районе Самотлорского месторождения).

Анализ информации о состоянии окружающей среды в районах нефтедобычи показывает, что в атмосферный воздух выбрасываются кроме веществ первых трех классов опасности и вещества четвертого класса, в частности, углеводороды, среди которых имеются очень токсичные вещества, которые при расчёте ИЗА не учитываются. Поэтому для более достоверной оценки влияния нефтедобывающего производства на окружающую среду в разработанном нами комплексе также используется обобщенный показатель загрязненности среды, предложенный в [2] и учитывающий произвольное число загрязняющих примесей в окружающей среде.

Программный комплекс анализа воздействий загрязнения атмосферы на природную среду включает в свой состав [5] программное обеспечение ГИС, базу данных об источниках выбросов, подсистему моделирования зон загрязнения и их отображения на цифровых картах исследуемой территории, систему цифровых карт, включающую как топооснову , так и набор необходимых тематических карт. Кроме того в состав комплекса включается система обработки, классификации и векторизации космических изображений. Основой разработанного комплекса является программное обеспечение ГИС ArcView 3.x.

Некоторые результаты анализа воздействия нефтедобычи на природную среду

Объектом исследований [5,6] явился участок территории в юго-восточной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции в пределах Васюганской группы нефтяных месторождений Томской области. Особенностью ландшафтной структуры территории участка является то, что более 90% его территории занимают 3 типа природных выделов: темнохвойно-мелколиственные леса (ТМЛ), сосновые леса (СЛ) и верховые болота (ВБ). На территории участка функционируют 5 месторождений. Атмосферный воздух загрязнён выбросами из факельных установок. Так, на территории только одного Первомайского месторождения в атмосферу выбрасывается 388 т сажи и 63 т диоксида азота в год. В целом по территории этого участка в атмосферу выбрасывается 537 т сажи и 130 т диоксида азота в год.

Целью анализа воздействий загрязнения атмосферного воздуха на природную среду является определение размеров площадей загрязненных ландшафтных выделов, отнесённых к общей площади выделов или площади всего участка. Эти относительные площади зависят как от уровня загрязнения (в долях ПДК), так и от объема добываемой нефти, с которым связан и объем сжигаемого попутного газа. Расчеты проводились для сажи и для диоксида азота. На основе учета реальных объемов выбросов из всех факельных установок на территории определялись площади природных выделов, оказавшихся в зонах загрязнения атмосферы. Более подробно результаты этого анализа даны в [6], где в частности, показано, что зависимости относительной величины площади загрязненных ландшафтных выделов от объема добычи достаточно хорошо аппроксимируются полиномами 3-ей степени, значения коэффициентов полиномов для различных практически интересных случаев приведены в [6].

Применение кластерного анализа при обработке многомерных данных в среде ГИС

Возможности современных геоинформационных систем в области кластерного анализа и автоматической классификации данных крайне ограничены и сводятся, как правило, к построению классификации по одиночным признакам. При проведении совместного анализа многомерной информации, получаемой из нескольких тематических карт, с целью выявления взаимосвязей между признаками используются приёмы ``наложения'' или ``совмещения'' карт. Обычно такое совмещение проводится с привлечением экспертов (специалистов в конкретной предметной области).

В наших работах [7,8] разработана и программно реализована процедура анализа, основанная на обработке многомерных данных методами автоматической классификации с последующим пространственным анализом результатов классификации в ГИС. В качестве исходных данных используется информация, извлекаемая из наборов тематических карт, характеризующих географические объекты по одиночным признакам и/или информация из баз данных, описывающих объекты по набору признаков и т.п.

Описанная в [8] компьютерная система обработки многомерных данных включает в себя программное обеспечение автоматической классификации (ПОАК), ГИС, картографическую базу данных (КБД) и базу атрибутивных данных (БД). ПОАК предназначено для обработки исходных данных с целью выделения кластеров. ГИС выполняет пространственный анализ результатов классификации с их последующим отображением на цифровых картах. Исходная информация извлекается из БД и КБД, характеризующих объекты по значениям признаков исследуемой предметной области. Результатами обработки является цифровая карта территории, на которой исходные объекты классификации объединены в однородные (по заданным наборам признаков) зоны. Непосредственная реализация программного комплекса выполнена в среде ГИС ArcView 3.0 для платформы Win32. Для картографического отображения результатов классификации разработан специализированный программный модуль для среды ГИС при помощи встроенного языка программирования Avenue.

С использованием комплекса проведен анализ техногенного воздействия на здоровье населения, результаты которого изложены в [4]. В качестве исходных данных для проведения анализа была использована информация о состоянии здоровья населения и уровнях техногенного воздействия, содержащаяся в Web-Атласе "Россия как система" (опубликован на сайте www.sci.aha.ru) и в монографии [9]. В Атласе для всех административных территорий России приводятся 70 разнородных показателей, представляющих состояние биосферы, техносферы и человеческого общества. При проведении анализа учитывались основные признаки, характеризующие техногенные воздействия на здоровье населения.

В качестве целевого показателя использовался введенный в Атласе индекс нездоровья населения, учитывающий данные о младенческой смертности, средней ожидаемой продолжительности жизни мужчин и женщин и стандартизованный коэффициент смертности мужчин и женщин. Для описания степени техногенного воздействия использовались следующие показатели: суммарные объёмы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, суммарные объёмы сброса сточных вод в водоёмы и интенсивность комплексного техногенного воздействия, определяемая через объёмы потребления топлива и энергии.

В результате проведенного аналаза данных из [7,8] на территории России выделены две зоны. Первая зона включает, в основном, регионы в европейской части территории, характеризующиеся достаточно высоким уровнем комфортности климата и сравнительно хорошим здоровьем населения. Выбросы в атмосферу здесь малы по сравнению со второй зоной, охватывающей территорию Урала, Сибири и Дальнего Востока, которая характеризуется низкой комфортностью климата и недостаточно хорошим здоровьем населения. Проведенный анализ показал, что наиболее существенное влияние на здоровье населения оказывают выбросы в атмосферу, а зависимость здоровья населения от объёмов сброса сточных вод не выражена.

Особенности геоинформационного и картографического обеспечения задач анализа техногенных воздействий на природную среду

Особую важность в реализации комплексного подхода к анализу техногенного воздействия загрязнений приобретают вопросы геоинформационного и картографического обеспечения. Применительно к анализу воздействий нефтедобычи на природную среду таежной зоны Западной Сибири, где добывается более двух третей российской нефти, необходима информация о пространственной структуре лесо-болотных комплексов, которая может быть получена из ландшафтных карт и аэрокосмических снимков территории. При составлении ландшафтной карты территории деятельности предприятий нефтедобычи обычно основываются на материалах по лесоустройству, что позволяет составлять ландшафтные карты без проведения детальных полевых работ и оценивать природно-ресурсный потенциал территории по методу ландшафтных аналогов.

Очень перспективным представляется использование аэро- и космоснимков, которые позволяют заменить дорогостоящую ландшафтную информацию, а также обновить имеющиеся данные (таксация проводится один раз в десять лет), устранить ошибки ландшафтной интерпретации лесотаксационной информации, скорректировать набор признаков дешифрирования, определить приоритетные участки наземного обследования. Применение цифровых многозональных космоснимков позволяет без использования дополнительных материалов лесной таксации оценивать площади загрязненных ландшафтных выделов на исследуемых территориях. С использованием цифровых ландшафтных карт и космоснимков, полученных с российского спутника Ресурс-О, в [1,6] определены относительные площади загрязненных лесных выделов в зависимости от объемов добываемой нефти и относительных уровней загрязнения атмосферного воздуха выбросами химических веществ, образующихся в результате сжигания попутного газа в факельных установках на территории нефтепромыслов.

Заключение

Применение методов и средств информатики, в частности, геоинформационных систем и технологий, позволяющих проводить совместный пространственный анализ данных о состоянии природной среды территории и результатов моделирования загрязнения среды с использованием цифровых карт, упрощает процедуры решения задач экологического прогнозирования и позволяет решать сложные задачи оценки комплексных воздействий на окружающую среду, оперативно выявлять намечающиеся аномалии и принимать решения по их устранению.

Как видно из вышеизложенного, путем моделирования рассеяния в атмосфере загрязняющих веществ с использованием реальных данных о загрязнении воздуха, получаемых из экологических паспортов нефтедобывающих предприятий, могут быть определены зоны загрязнения воздуха на территории, подверженной техногенным воздействиям, а наложением контуров этих зон на ландшафтную карту или на космический снимок средствами ГИС могут быть определены относительные площади ландшафтных выделов, подверженных воздействию загрязнения. С использованием разработанных средств геозонирования территории, основанных на методах кластеризации, проведен анализ данных о состоянии окружающей среды и здоровья населения, что позволило провести зонирование территории России по уровню. экологического неблагополучия.

Литература:

1

Polichtchouk Yu., Tokareva O. Geoinformation analysis of atmosphere pollution impact on the landscape of Siberian oil-producing territories. // Proceedings of SPIE, 4341, 2000, 571 - 577.

2

Polichtchouk Yu.M., Salmina N.Yu.., Tsipileva T.A. Modeling of the Structure of Chemical Compounds and Prediction of Ecological-Toxicological State of the Environment.// Chemistry for Sustainable Development, 4, 1996, 219-229.

3

Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. Высшая школа, Москва, 1988.

4

Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. Наука, Москва, 1997.

5

Полищук Ю.М., Березин А.Е., Дюкарев А.Г., Токарева О.С. Экологическое прогнозирование воздействий нефтегазового комплекса на природную среду Западной Сибири с использованием ГИС-технологий. // География и природные ресурсы, 2, 2001, 43-49.

6

Полищук Ю.М., Токарева О.С. Анализ воздействия загрязнений атмосферы на лесоболотные экосистемы в нефтедобывающих районах Сибири. // Оптика атмосферы и океана, 13, 10, 2000, 950-953.

7

Полищук Ю.М., Ципилева Т.А., Чернушкин Р.А. Анализ влияния техногенного загрязнения окружающей среды на здоровье населения с использованием кластеризации и ГИС-технологий. // Материалы 1-й Межд. науч.-практ. конф. ``Медицинские и экологические эффекты ионизирующей радиации'', Томск, 2001, 116-117.

8

Полищук Ю.М., Чернушкин Р.А. // Труды IV Межд..симп. по проблемам коинформатики, Москва, 2000, 156-159.

9

Тикунов В.С. Классификации в географии: Ренессанс или увядание? Изд-во Смолен. ун-та, Москва - Смоленск, 1997.

Ваши комментарии

[Головная страница] [Конференции] [СО РАН]

© 2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
© 2001, Объединенный институт информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт систем информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт математики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Новосибирский государственный университет
Дата последней модификации Saturday, 29-Sep-2001 13:47:40 NOVST