|
Геоинформационная система мониторинга водных объектов
и нормирования экологической нагрузки
Алексеев В.В., Куракина
Н.И., Орлова Н.В., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ», Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, E-mail: NIKurakina@eltech.ru
 Одним из приоритетных
направлений природоохранной политики является совершенствование действующих
и развитие новых принципов и методов оценки состояния природных объектов и
экологического нормирования всех видов антропогенных воздействий. Важный шаг
на пути к эффективному решению этой задачи - создание геоинформационной среды
мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки. Такая система
позволит реализовать комплексный подход по оценке и ранжированию всех видов
источников загрязнения с учетом их взаимовлияния, выявлению наиболее опасных
загрязнителей с позиций экологического нормирования, в основе которого лежат
нормативы предельно-допустимых вредных воздействий на природные объекты. А
это, в свою очередь, будет способствовать выработке рекомендаций по поддержке
принятия управляющих решений с целью организации рационального природопользования.
Экологическая ГИС
Разработанная нами система базируется на современных информационных
технологиях, оперирует паспортными данными предприятий (источников загрязнения),
результатами контрольных измерений, нормативными справочниками, содержащими
значения класса опасности и ПДК (предельно допустимые концентрации) вредных
веществ. Она рассчитывает и формирует выходные документы, имеет встроенную
систему запросов к базам данных.
Информацию, такую как размещение постов экологического контроля,
местоположение загрязнителей удобно представлять на карте, что определяет широкое
использование ГИС-технологий, позволяющих также решать задачи пространственного
анализа. На базе ГИС нами созданы модели природных объектов, предприятий-водопользователей,
карты содержания загрязняющих веществ. Единая база природных и техногенных
объектов обеспечивает возможность моделирования процессов техногенного воздействия
с целью исследования сложившейся ситуации и выработки рекомендаций по рациональному
природопользованию.
ГИС-интерфейс системы разработан с использованием ArcView 9,
пространственные данные хранятся в формате шейп-файлов, атрибутивные – в локальной
базе в формате dbf файлов.
На основе ГИС выполнен ряд проектов, объединяющих на функциональном
уровне базы данных, модели, методы расчетов, нормативные документы в виде интегрированной
информационной среды получения комплексной информации. Созданные проекты позволяют
анализировать и изучать следующие задачи:
- оценка
качества водных объектов;
- анализ
деятельности пользователей водных ресурсов;
- ранжирование
водопользователей по степени воздействия;
- нормирование
экологической нагрузки на водный объект с учетом бассейнового подхода;
- создание
форм отчетности.
Объект исследования
Реализованная на базе
ГИС система мониторинга была апробирована на р. Неве в части Кировского района
Ленинградской области.
Река Нева является составной
частью водной системы Онежское озеро – река Свирь – Ладожское озеро – река
Нева – Невская губа – восточная часть Финского залива. Эта водная система расположена
на территории экономически развитого региона, что и служит основной причиной
ее загрязнения. При сравнительной оценке концентраций ряда химических ингредиентов
в воде Ладожского озера, р. Невы, Невской губы и северо-восточной части Финского
залива достаточно четко выявляется, что река Нева испытывают наибольшую нагрузку
по сравнению с другими частями водной системы. В нее поступают стоки муниципальных
очистных сооружений, неочищенные стоки, а также стоки от промышленных и сельскохозяйственных
предприятий, расположенных в береговой зоне.
Информационная
среда системы оценивания
Для проведения гидрохимического
анализа качества водного объекта, а также анализа воздействия пользователей
водных ресурсов и нормирования экологической нагрузки на базе ГИС была разработана
информационная среда системы оценивания. Она обеспечивает объединение и использование
распределенной информации, а ГИС технология - ее обработку в соответствии с
географической или административной привязкой. Информационная среда состоит
из топоосновы, организованной в виде слоев ГИС, базы моделей природных и техногенных
объектов, баз данных результатов контроля и анализа, а также нормативной базы.
Топооснова системы оценивания. Она служит для визуализации результатов
исследований и пространственного анализа. Каждый слой ГИС содержит группу
однотипных элементов: реки, озера, дороги, леса, посты контроля и
т.д. Эти элементы сгруппированы в отдельные папки.
База моделей природных
и техногенных объектов. Водные объекты группируются в слои в соответствии
с их типом (реки, озера, моря), содержат графическое описание объекта и его
основные характеристики. Малые реки представляются в виде полилиний, большие
описываются полигональными объектами. Сложные объекты (например, большие
реки) разбиваются на несколько участков, при этом одному объекту соответствует
несколько записей в таблице параметров. Информация содержится в двух файлах:
графическое представление объекта и участки фарватеров с основными гидрологическими
характеристиками (ширина, глубина, скорость течения).
Рис. 1. Схема расположения предприятий.
Характеристики источников загрязнения содержатся в двух
файлах: а) ГИС-слой с географическим местоположением предприятий, сопровождаемый
атрибутивной информацией с наименованием водных объектов, уникальным кодом
и названием предприятий (рис. 1); б) файл баз данных с характеристиками выпусков,
параметрами водопотребления и водоотведения, величинами сбрасываемых веществ,
полученными из форм статистической отчетности 2ТП-водхоз. Связь осуществляется
через общие атрибутивные поля.
База данных экологического контроля. В ней хранится информация
о постах наблюдений и результатах контрольных измерений. Местоположение
постов наблюдений находится в шейп-файле, характеристики постов –
в атрибутивном файле, содержащем наименование поста, его принадлежность, тип
наблюдаемой сети, наименование водного объекта и другие сведения (рис. 2).
Рис. 2. Схема расположения постов экологического контроля.
Результаты контрольных
измерений хранятся в базе данных формата dbf и содержат:
дату, код и наименование поста наблюдений, значения концентраций для каждого
результата измерения.
Нормативная
база. Она представляет собой справочник вредных веществ и содержит:
полное название параметра, его аббревиатуру, класс опасности, предельно допустимые
концентрации рыбохозяйственной и хозяйственно-питьевой категорий водопользования,
значение группы лимитирующего признака вредности.
Оценка качества водных
объектов
Созданная на базе ГИС информационная среда системы оценивания позволяет
проводить временной и пространственный анализ, оценивать качество водных объектов
в разных контрольных створах. На рис. 3 приведены значения среднегодовых нормированных
относительно ПДК концентраций загрязнителей в точках контроля на р. Неве. Из
диаграмм видно, что река загрязнена нефтепродуктами, нитритами и солями железа
общего. При этом содержание вредных веществ на границе Кировского района выше,
чем в истоках реки.
Рис. 3. Значения среднегодовых нормированных концентраций.
Оценка (нормирование) техногенных нагрузок
Задача оценки техногенной нагрузки заключается в выявлении
основных критических веществ, определении основных водопользователей, вносящих
эти воздействия, и ранжировании пользователей с целью формирования управляющих
рекомендаций.
Определение лимитирующих показателей. Для определения лимитирующих показателей
в анализируемом створе из базы данных выбирается перечень контролируемых параметров
– результатов контроля гидрохимического состояния. Для каждого вещества из
перечня, у которого концентрация не равна 0, вычисляется коэффициент воздействия
(нормирование концентрации относительно предельно допустимого значения - ПДК).
Вещества ранжируются (упорядочиваются) по степени воздействия. Все вещества,
для которых коэффициент воздействия больше 1, объединяются в группу лимитирующих
показателей.
Определение водопользователей, формирующих лимитирующие ингредиенты. По
каждому веществу, входящему в группу лимитирующих показателей, выделяются предприятия,
в состав сброса которых входит это вещество. Определяется степень участия предприятия
в загрязнении, проводится упорядочивание по абсолютной массе сброса и по относительному
участию. Формируются группы критических пользователей по веществам.
Ранжирование водопользователей
по степени воздействия. Осуществляется определение степени воздействия каждого
пользователя и производится ранжирование предприятий по степени опасности по
каждому веществу. Результаты представляются в виде таблиц и диаграмм (рис.
4).
Рис. 4. Ранжирование
водопользователей.
На основании проведенного анализа реализуются алгоритмы
выделения квот предприятиям и алгоритмы формирования управляющих воздействий.
Заключение
В результате нашей работы
на базе ГИС создана информационная среда, представляющая систематизированный
свод сведений, качественно и количественно характеризующий экологическое состояние
водных объектов и производств.
Полученные результаты и выполненные проекты являются базой
для создания системы квотирования нагрузки водного объекта по заданным показателям,
реализации алгоритмов эколого-экономического управления водопользованием.
Разработанная информационная среда оценивания служит основой
для обучения специалистов в области охраны окружающей среды и рационального
природопользования. В Санкт-Петербургском государственном электротехническом
университете создан Учебно-научный центр "ГИС технологии". Центр
сертифицирован на обучение по геоинформационным системам корпорацией ESRI при
участии и поддержке
"ДАТА+". В центре проводится обучение специалистов как по стандартным
курсам ESRI, так и по собственным методикам, разработанным преподавателями
центра.
|
