Оцінка якості поверхневих вод методами сучасних геоінформаційних технологій (на прикладі р. Сіверський Донець)

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінка якості поверхневих вод методами сучасних геоінформаційних технологій (на прикладі р. Сіверський Донець)

21.06.01 - Екологічна безпека

Анпілова Євгенія Сергіївна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем національної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України, м. Київ

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ТРОФИМЧУК Олександр Миколайович,

Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, м. Київ,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

МОКІН Віталій Борисович,

Вінницький національний технічний університет,м. Вінниця,

завідувач кафедри моделювання та моніторингу складних систем

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

ІВАНЮТА Сергій Петрович,

Національний інститут стратегічних досліджень,м. Київ,

старший консультант відділу техногенної та екологічної безпеки

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як зазначено у Концепції розвитку водного господарства України, незбалансована господарська діяльність, залучення на виробничі потреби значних водних ресурсів та їх забруднення, стоки із сільськогосподарських угідь та урбанізованих територій, штучна зміна природного режиму водних об'єктів, призвели до майже повної втрати здатності водних систем до самоочищення. Як свідчать статистичні дані, спостерігається стала тенденція погіршення якості поверхневих вод басейнів річок України. Для інформаційної підтримки рішень по забезпеченню виконання вимог «Положення про державну систему моніторингу довкілля» і ряду інших законодавчих актів, регулюючих сучасні водні відносини в Україні, необхідно мати достовірні, точні і своєчасні дані про якість поверхневих вод.

Картографічне моделювання та геоінформаційний інструментарій дозволяє не тільки відображати вже відомі просторові закономірності, але й проводити аналіз, виявляти та візуалізувати взаємозв'язки між джерелами забруднення та якістю води, визначати достовірність інформації по джерелах забруднення, виконувати районування за факторами забруднення та якістю поверхневих вод, у тому числі, при недостатньому обсязі гідрохімічних даних.

Основою для побудови схем комплексного використання та охорони водних ресурсів, розробки державних та територіальних програм є вивчення сучасного стану водних об'єктів та його прогнозування з використанням геоінформаційних методів та технологій.

Розробці сучасних технологій оцінки якості поверхневих вод, науковому обґрунтуванню вдосконалення існуючої системи моніторингу, прийняттю оперативних управлінських рішень для задач екологічної безпеки, які базуються на використанні сучасних засобів геоінформаційних систем (ГІС) методів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) з космосу і, в тому числі, методів картографічного узагальнення даних, присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в межах таких науково-дослідних робіт:

- “Напрями удосконалення природокористування в Україні в контексті національної безпеки”, яка виконувалася в Інституті проблем національної безпеки (2005 р.) (№ ДР 0105U008446);

- “Природні та техногенні зміни поверхневих та підземних водних об'єктів та їх вплив на соціальну економічну та екологічну безпеку промислово-міських агломерацій, гірничо-видобувних районів та регіонів”, виконана в Інституті проблем національної безпеки (2006-2007рр.) (№ ДР 0107U002674);

- “Розробка систем картографічного забезпечення управління екологічною безпекою і моніторингу відтворюваними ресурсами на базі геоінформаційних технологій і використання космічних знімків”, виконана в Інституті телекомунікації і глобального інформаційного простору НАН України (2007-2009 рр.) (№ ДР 0107U000556).

Мета і задачі дослідження Метою дисертаційної роботи є розробка і реалізація методів та засобів, спрямованих на вирішення задач оцінки якості поверхневих вод та удосконалення їх моніторингу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

- провести огляд відомих підходів та методів оцінки якості вод, проаналізувати основні проблеми оцінки за даними державного моніторингу вод з використанням сучасних інформаційних технологій та систем;

- дослідити вплив антропогенних чинників на формування хімічного складу та якості річкових вод басейну р. Сіверський Донець на основі структурування та аналізу даних по створах, терміну відбору проб, просторовому розподілу гідрохімічних показників та даних по водокористувачах;

- створити базу геоданих якості поверхневих вод і водокористувачів басейну р. Сіверський Донець та виконати розрахунки якості поверхневих вод на основі існуючої методики проведення оцінки по класах та категоріях;

- застосувати метод геостатистичного аналізу даних у геоінформаційних системах для оцінки якості води за даними державного моніторингу та удосконалити метод оцінки стану поверхневих вод за класами та категоріями шляхом застосування геостатистичного методу аналізу;

- на основі ГІС/ДЗЗ технологій розробити, апробувати та впровадити картографічні моделі якості поверхневих вод у басейні р. Сіверський Донець як однієї з головних річок України.

Об'єктом дослідження є оцінка та аналіз якості поверхневих вод із застосуванням ГІС/ДЗЗ-технологій.

Предметом дослідження є методи та засоби оцінки та аналізу якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець на території України.

Методи досліджень. В дослідженнях використовувались натурні спостереження, статистичний аналіз рядів спостережень за елементами хімічного складу води, методи геоінформаційних технологій, у т.ч. геостатистичні, візуального тематичного дешифрування космічних знімків та числові методи моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

- створено новий метод оцінки якості поверхневих вод, який відрізняється від існуючих використанням геостатистичних методів інтерполяції даних моніторингу та удосконаленим методом обробки даних про якість по класах та категоріях, що дозволяє покращити ведення екологічного моніторингу поверхневих вод;

- виявлено закономірності зміни якості поверхневих вод по всьому басейну р. Сіверський Донець, зокрема визначено місця підвищеної концентрації речовин, які впливають на екологічний стан басейну річки;

- дістали подальшого розвитку картографічні моделі антропогенного навантаження та якості поверхневих вод (на прикладі басейну р. Сіверський Донець).

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблена та впроваджена в практику модель оцінки якості поверхневих вод шляхом інтеграції відомої в Україні Методики по розрахунку антропогенного навантаження і екологічного стану басейнів малих річок України у середовище сучасної геоінформаційної системи ArcGIS, що дозволяє удвічі швидше проводити розрахунки за кількісними та якісними показниками якості поверхневих вод та уникати негативного впливу людського фактору. Створені картографічні моделі техногенного навантаження поверхневих вод дозволяють приймати ефективні управлінські рішення у разі можливого погіршення екологічної ситуації у басейнах річок.

Результати досліджень використовуються та впроваджені:

- у виробничу діяльність: Сіверсько-Донецького басейнового управління водних ресурсів Державного комітету України по водному господарству; Північно-східній філії Державного науково-виробничого центру «Природа»;

- у навчальному процесі: на кафедрі «Виробництво радіоелектронних систем літальних апаратів» для студентів спеціальності 6.070900 - геоінформаційні системи і технології Національного аерокосмічного університету «ХАІ»; на кафедрі автоматизації проектування енергетичних процесів та систем теплоенергетичного факультету при вивченні дисципліни «Геоінформаційні системи» для спеціальності «Комп'ютерний еколого-економічний моніторинг» Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

Особистий внесок здобувача в науковій праці полягає у проведенні аналітичних і експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, створенні нових технологій і впровадженні розробленого матеріалу, який відображено у наступних наукових публікаціях:

- проведено інформативний пошук щодо використання ГІС у питаннях пов'язаних із водними ресурсами [11,14];

- обґрунтовано та запропоновано ведення моніторингу басейну р. Сіверський Донець із залученням ГІС/ДЗЗ технологій. Створено відповідні шари у середовищі ArcMap [8,9, 14,15];

- проаналізовано стан ведення екологічного моніторингу та фактори, що впливають на забрудненість поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець, а також побудовано картографічну модель за показниками по створах спостереження [4];

- виконано інвентаризацію джерел забруднення поверхневих вод за допомогою ГІС-технологій на прикладі басейну р. Сіверський Донець [1];

- вивчено властивості комбінованого оператора із зосередженими параметрами для моделювання адвективно дифузійного переносу речовин, що були розчинені у водотоці [2];

- розроблено багатокомпонентну статистичну модель послідовної трансформації домішок у зоні домішок для зони перемішування зворотної води у водотоці [3];

- опрацьовано модель розрахунку забруднення різних компонентів навколишнього середовища від нафтопродуктів з використанням ГІС-технологій [5];

- створено модель оцінки якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець шляхом синтезу геостатистичних методів інтерполяції та удосконалення методу оцінки якості по класах та категоріях [6];

- проведено геостатистичний аналіз даних якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець для побудови безперервної поверхні якості поверхневих вод басейну [7];

- розроблено картографічну модель, створено базу геоданих у середовищі ArcMap, побудовані відповідні тематичні карти для управління басейном р. Сіверський Донець з використанням ГІС/ДЗЗ технологій, встановлено, що значення якості води, розраховані за традиційними методами, та значення якості в цих же пунктах, але отримані в результаті інтерполяції за запропонованим методом із використанням засобів ArcGIS, відхиляється, в окремих випадках, не більше, ніж на 5-7% [1,8-10,16];

- визначено фактори, що впливають на якість поверхневих вод, зроблено оцінку гідрохімічного режиму р. Сіверський Донець в межах Луганської області [12];

- підтверджено необхідність застосування басейнового принципу в управлінні водними ресурсами з позицій запропонованих методів та моделей [13].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що викладені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на 11 наукових конференціях та нарадах, а саме на ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах» (Крим, с. Рибаче, 2004 р.), регіональній нараді «Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ-технологій у сприянні вирішення проблем Рівненщини» (м. Рівне, 2006 р.), ХV Международной научно-практической конференции «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов» (Крим, м. Щелково, 2007 р.), VІ, VII та VIII Міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами у надзвичайних ситуаціях» (Крим, с. Рибаче, 2007-2009 рр.), Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного інформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень” (Київ, 2007 р.), регіональній нараді «Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ - технологій у сприянні вирішення проблем Луганщини» (м. Луганськ, 2007 р.), Студентській науково-технічній конференції “Застосування інформаційних технологій на шляху досягнення сталого розвитку” (м. Львів, 2008 р.),VI Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених "Шевченківська весна" (м. Київ, 2008 р.), ІІ-му Всеукраїнському з'їзді екологів з міжнародною участю (Екологія/Ecology - 2009 ) (м. Вінниця, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 друкованих праць, у тому числі 5 статей у наукових фахових виданнях, 6 статей у журналах і матеріалах конференцій, 5 тез доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 192 сторінках друкованого тексту, у тому числі основний текст на 153 сторінках, включає 49 рисунків на 44 сторінках, 15 таблиць на 16 сторінках, список використаних джерел із 137 найменувань на 14 сторінках, 4 додатки на 25 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми, наведені мета і задачі дослідження, об'єкти дослідження, методи дослідження, наукова новизна роботи, практична значимість одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів дисертації і публікації.

У першому розділі проаналізовано стан розробки теми та наукові передумови досліджень. Розглянуто проблеми оцінки якості поверхневих вод, зроблено огляд сучасних методик оцінювання якості поверхневих вод по класах та категоріях. Розглянуто вплив природних та антропогенних чинників на динаміку і тенденції погіршення стану поверхневих вод, до причин виникнення яких відносять нераціональне водокористування, забруднення різними шкідливими елементами. Останніми роками проблемам антропогенного навантаження на басейни річок присвячені роботи Білявського Г.О., Лиха О.А., Осадчого В.І., Осадчої Н.М., Петрука А.М., Романенка В.Д., Удод В.М., Шевчука В.Я., Яковлева Є.О., Яцика А.В. та інших, розробкою математичних моделей процесів, що впливають на якість поверхневих вод займались Василенко С.Л., Вельнер Х.А., Горєв Л.М., Джеймс А.Д., Железняк М.Й., Караушев А.В., Кузін О.К., Лаврик В.І., Мокін В.Б., Ніканоров А.М., Нікіфорович Є.І., Родзиллер І.Д., Фролов В.А. та інші, застосуванням ГІС та ДЗЗ у задачах гідрології Варламов Є.М., Волошкіна О.С., Гительсон А.А., Готинян В.С., Греков Л.Д., Кондратьєв К.Я., Красовський Г.Я., Куракіна Н.І., Макаровський Є.Л., Мокін В.Б., Трофимчук О.М., Петросов В.А, Поздняков Д.В. та інші.

Про те, як держави намагаються вирішувати питання, пов'язані з використанням та охороною водних ресурсів, свідчить наявність потужних міжнародних організацій, огляд діяльності яких зроблено в даному розділі.

Ефективне планування і реалізація заходів з охорони водних ресурсів повинні базуватися на точних і достовірних даних про поточний екологічний стан поверхневих вод басейнів річок і параметрів техногенних чинників впливу на них. Традиційно такі дані отримують методами регулярних досліджень шляхом відбору та аналітичного аналізу проб води. Зараз спостерігається скорочення кількості пунктів спостереження за якістю поверхневих вод, тому при вирішенні практичних завдань підтримки рішень, пов'язаних з управлінням екологічною безпекою поверхневих вод доцільно орієнтуватися на залучення геоінформаційних технологій та методів дистанційного зондування Землі.

Висунуто наукову гіпотезу, згідно якої можливо оцінити якість поверхневих вод по всьому басейну річки із застосуванням комплексу потужних можливостей ГІС/ДЗЗ-технологій, що у свою чергу, дозволить перейти від дискретної до неперервної картині якості поверхневих вод басейнів річок.

Саме геоінформаційні технології мають все необхідне для реалізації своїх функціональних можливостей для аналізу вихідних даних, виконання розрахунків та представлення у картографічному вигляді отриманих результатів. Ці технології об'єднують переваги візуалізації і географічного аналізу об'єктів реального світу, що вивчаються, та можливості роботи з базами цифрових даних. екологічний сіверський донець поверхневий

З урахуванням проведеного аналізу існуючих інформаційних систем та технологій, які залучені у системі моніторингу, поставлено задачу розробки і реалізації методів та засобів, спрямованих на вирішення задач оцінки якості поверхневих вод та удосконалення їх екологічного моніторингу.

У другому розділі наведено огляд сучасного екологічного моніторингу та моніторингу поверхневих вод на прикладі басейну річки Сіверський Донець.

Відзначено, що в Україні державне управління в галузі використання та охорони вод і відновлення водних ресурсів виконується за басейновим принципом на основі державних, міждержавних та регіональних програм використання, охорони та відновлення водних ресурсів.

Відмічено скорочення кількості пунктів спостереження за якістю поверхневих вод та скорочення кількості взятих проб у цих пунктах, через що, за таких умов, повну картину забруднення басейну отримати складно. Крім того, аналізи проб води виконують різні організації та кожна працює за своїми формами та методиками.

Запропоновано зробити уніфікацію методик аналітичних визначень хімічних компонентів у лабораторіях різних установ державного моніторингу, інтенсифікувати спостереження по пунктах, налагодити більш чіткий та результативний обмін інформацією на міжнародному рівні з метою інформаційною підтримки та попередження надзвичайних ситуацій, а також для вирішення практичних завдань підтримки рішень, пов'язаних з управлінням екологічною безпекою поверхневих вод та удосконаленням існуючої системи державного моніторингу.

Аналіз вивченості екологічного стану річки та її основних приток за показниками хімічного складу одного з найбільш техногенно-навантажених регіонів свідчить про стійкі незворотні зміни в якісному та кількісному складі поверхневих вод басейну.

Розглянуто рівень забруднення води басейну р. Сіверський Донець за даними Державного водного кадастру за 1997, 2000, 2003, 2004 роки. Визначено, що вода басейну р. Сіверський Донець у більшості випадків не відповідає ні вимогам СанПіН, ні вимогам ГОСТу. Це пояснюється тим, що територія басейну є найбільш урбанізованим та індустріально-розвиненим регіоном України (табл. 1).

Підвищений вміст іонів сульфату та хлориду та суми іонів у річкових водах басейну р. Сіверський Донець в межах Луганської області є наслідком скидів, що здійснюють не тільки діючи шахти, а також шахти, які були закриті (рис.1, рис. 2).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Динаміка вмісту сульфатних іонів у воді ділянки басейну р. Сіверський Донець в межах Луганської області

Рис. 2. Динаміка вмісту хлоридних іонів у воді ділянки басейну р. Сіверський Донець в межах Луганської області

У третьому розділі наведено опис створення бази даних для прийняття рішень з управління водними ресурсами басейну р. Сіверський Донець.

Вихідними даними для побудови бази геоданих водокористувачів та водних ресурсів були дані з форм державної статистичної звітності № 2-ТП (водгосп) та дані гідрохімічних щорічників Гідрометеорологічної служби України, що виходять з 1974 року та вміщують результати регулярних спостережень за якістю поверхневих вод суші. Перша група вихідних даних зберігається у форматі .doc, друга група на паперових носіях у вигляді таблиць. Під час підготовки дисертаційної роботи автор скомпонувала, адаптувала та використала ці дані при створенні бази цифрових геоданих у середовищі геоінформаційної системи ArcGIS.

Оцінку якості поверхневих вод виконують згідно Методики по розрахунку антропогенного навантаження і класифікації екологічного стану басейнів малих річок України, розроблену колективом Українського науково-дослідного інституту водогосподарсько-екологічних проблем (м. Київ) та затверджену на державному рівні. Враховуючи переваги цієї методики з однієї сторони та потужні можливості сучасного інструментарію ГІС технологій з іншої сторони, з'являється можливість автоматизувати процес розрахунку якості води.

Для доповнення картографічної моделі були виконані розрахунки антропогенного навантаження і класифікації екологічного стану басейнів малих річок України у середовищі ГІС-пакету ArcGIS.

Методика була запрограмована на базі спеціалізованої мови Python, яка вбудована в основу програмного продукту ArcGIS та має змогу інтегрувати у своє середовище багаточисельні протоколи зовнішніх бібліотек сучасних мов програмування. Створена відповідна база даних для кожного пункту спостережень якості води.

Автоматизація процесу оцінки якості води, по-перше виключає людський фактор, тим самим запобігаючи виникненню суб'єктивних помилок, по-друге зменшує кількість часу, який витрачається на підрахунок, а найголовніше забезпечується отримання кінцевого результату не тільки у вигляді набору показників класу для кожного пункту спостережень, а й з наочною інтерпретацією стану якості води, тобто з поданням результатів розрахунків у картографічному, графічному та табличному вигляді (рис.3).

Рис. 3. Екологічна класифікація якості поверхневих вод р. Сіверський Донець по пунктах спостережень Держгідромету (2003 р.)

Окрім статистичних даних для оцінки стану поверхневих вод у басейні р. Сіверський Донець були використані і космічні знімки. Це були знімки, які зберігаються у цифровому вигляді та були отримані з супутників TERRA/MODIS, NOAA, QuckBird тощо за 1997-2007 роки із фондів Державного науково-виробничого центру „Природа”, глобальної комп'ютерної мережі Інтернет.

Результати дешифрування космічних знімків інтегровані у базу геоданих факторів впливу на клас якості води басейну р. Сіверський Донець, яка була підключена у ГІС та проведений комплексний просторовий аналіз по базах класів якості басейну річки.

Розроблена система допомагає представляти інформацію у вигляді тематичних карт та діаграм результатів спостережень, карт екологічної оцінки якості поверхневих вод, сприяє ефективному прийняттю управлінських рішень з питань організації екологічного моніторингу та при виникненні надзвичайної ситуації. Система дає змогу спостерігати за змінами користування води підприємствами та якістю використаної ними води, моделювати їх сукупний внесок у процеси формування якості води у річці Сіверський Донець на будь-якій його ділянці та проводити інвентаризацію водокористувачів, що звітуються за формою 2-ТП (водгосп).

Четвертий розділ присвячено геостатистичному аналізу якості поверхневих вод та їх просторовій інтерполяції.

Класичні методи статистики малоінформативні щодо аналізу просторової інформації та геоданих.

Геостатистика пропонує методи опису безперервності у просторі багатьох природних явищ та забезпечує налаштування інструментів регресійного аналізу на врахування цієї безперервності.

Побудова безперервних поверхонь для інтерполяції даних та представлення просторового розподілу якості поверхневих вод необхідна в умовах скорочення кількості пунктів спостереження. Основною проблемою є побудова найбільш точної поверхні, яка буде якнайбільше відповідати дійсності.

В дисертаційній роботі застосовано модуль Geostatistical Analyst ArcGIS, що дозволяє поєднати особливості геостатистичного аналізу з функціональними перевагами ГІС-технологій.

В даному розділі показані можливості практичного застосування ГІС-технологій для визначення якості поверхневих вод на прикладі конкретного басейну, а саме басейну р. Сіверський Донець.

Детерміновані методи інтерполяції засновані на підборі математичних функцій поверхонь з метою їх підгонки через точки з виміряними значеннями. Геостатистичні методи інтерполяції засновані на статистичних моделях, що враховують автокореляцію. За їх допомогою можна не тільки будувати поверхню, але й отримувати оцінку точності інтерполяції. На відміну від детермінованих методів геостатистичні враховують, також, вірогідність.

Досліджено дані про якість вод методами геостатистичного аналізу на нормальність розподілу, стаціонарність та просторову структуру. Визначено їх просторову тенденцію та екстремальні значення, які випадають з основної вибірки.

Проведено порівняльний аналіз значень помилок інтерполяції в опорних точках та оцінено можливості різних методів інтерполяції для подальшого їх використання при побудові поверхні тренду якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець.

Помилки визначалися за такими формулами:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Де щ₁ - середня помилка; щ₂ - середньоквадратична помилка інтерполяції; щ₃ - середня стандартна помилка кригінгу; щ₄ - cередньонормована помилка;
щ₅ - середня квадратична нормована помилка; n -кількість точок спостережень; Z(s_i) - інтерпольоване значення, отримане в результаті перехресної перевірки; z(s_i) - фактичне значення отримане в результаті спостережень; у(s_i ) - стандартна помилка інтерполяції для точки (s_i).

Встановлено, що найкращим методом інтерполяції є метод ординарного кригінгу, найкращим методом для побудови імовірнісних поверхонь є метод індикаторного кригінгу. За результатами обробки даних методом ординарного кригінгу побудовано такі карти:

- карту якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець, яка відображає безперервну інтерпольовану поверхню з відомими категоріями якості поверхневих вод у будь-якій точці басейну (рис. 4);

- карту вірогідності зміни якості поверхневих вод р. Сіверський Донець (рис. 5);

- карту стандартної помилки інтерполяції категорій якості поверхневих вод басейну річки Сіверський Донець (рис. 6).

Визначено за допомогою ГІС категорії та субкатегорії якості поверхневих вод басейну річки Сіверський Донець та порівняно з раніш опублікованими та розрахованими даними, отриманими традиційним методами.

Встановлено, що значення якості води розраховане традиційними методами, згідно методики у контрольних створах та значення якості води в цих же пунктах, але отримане в результаті інтерполяції за допомогою ArcGIS відхиляється не більше ніж на 5-7% (табл. 2).

Рис. 4. Карта результатів інтерполяції категорій якості води басейну р. Сіверський Донець за 2003 рік методом ординарного кригінгу

Рис. 5. Карта вірогідності зміни категорій якості поверхневих вод р. Сіверський Донець побудована за методом індикаторного кригінгу

Рис. 6. Карта стандартної помилки інтерполяція категорій якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець, побудована методом ординарного кригінгу

Таблиця 2

Значення якості поверхневих вод річки Сіверський Донець за 2003 рік

Назва пункту спостережень	Клас/категорія/субкатегорія якості води, розрахована за запропонованим методом з використанням ГІС	Клас/категорія/субкатегорія якості води, розрахована за традиційними методами
р. Сіверський Донець (с. Огірцеве);	ІІІ/4/4	ІІІ/4/4(3)
р. Оскіл (с. Тополі);	ІІІ/4/4(3)	ІІІ/4/4(3)
р. Лопань (с. Казача Лопань)	ІІІ/4/4	ІІІ/4/4(3)
р. Сіверський Донець (с. Кружилівка)	ІІІ/5/4-5	ІІІ/5/4-5
р. Айдар (гирло)	ІІІ/5/4-5	ІІІ/5/4-5
р. Камишиваха (м. Стаханівськ)	ІІІ/5/5	ІІІ/5/5(4)
р. Сіверський Донець (с. Дронівка)	ІІІ/4/4	ІІІ/4/4
р. Сіверський Донець (с. Червоний Шахтар)	ІІІ/4/4	ІІІ/4/4
р. Вовча (гирло)	ІІ/3/3-4	ІІ/3/3-4

Отримані результати у повному обсязі дозволяють підтвердити достовірність отриманої інтерпольованої поверхні якісної характеристики поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець (рис.7).

Рис.7. Карта інтерпольованих значень категорій якості води по пунктах Держгідромету та контрольних пунктах відбору проб поверхневих вод р. Сіверський Донець

Тому можна стверджувати, що методи, реалізовані у Geostatistical Analyst програми ArcGIS значно доповнюють можливості отримання більш повних даних з використанням менших затрат.

Розроблені та удосконалені методи і технології оцінювання якості поверхневих вод можуть бути легко поширені і на інші басейни річок України та сусідніх країн, наприклад, Росії та Білорусі, де має місце схожа структура вихідних даних та програмне забезпечення для їх ведення на державному рівні.

ВИСНОВКИ

1. Удосконалено метод оцінки якості поверхневих вод шляхом синтезу геостатистичних методів інтерполяції та методу оцінки якості по класах та категоріях, в результаті якого встановлені закономірності зміни якості поверхневих вод не тільки в місцях взяття проб, але й по всьому басейну (на прикладі р. Сіверський Донець);

2. Запропоновано нові підходи до вдосконалення системи державного моніторингу водних ресурсів, підвищення об'єктивності і наочності матеріалів, які включаються в нормативні документи, пов'язані з оцінками впливу на басейни річок промислових об'єктів, що базуються на сучасних ДЗЗ/ГІС технологіях.

3. Створено базу геоданих на основі даних Держгідромету України про якість вод та даних Держводгоспу України щодо водокористувачів, які звітують за державною статистичною формою 2-ТП (водгосп), та їх впливу на якість поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець.

4. Продемонстрована доцільність використання оперативних космічних знімків у розрізі дослідження стану поверхневих вод та проведена інвентаризація підприємств, що розташовані та впливають на якість поверхневих вод р. Сіверський Донець за допомогою методів ДЗЗ.

5. Дістали подальшого розвитку картографічні моделі якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець, які відображають:

- безперервну інтерпольовану поверхню категорій якості поверхневих вод в будь-якій точці басейну річки;

- вірогідність змін якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець, згідно якої можна отримувати інформацію про те, в якій точці вірогідність погіршення якості поверхневих вод більша або менша;

- стандартну помилку інтерполяції категорій якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець.

6. Впроваджено результати досліджень у виробничу діяльність: Сіверсько-Донецького басейнового управління водних ресурсів Державного комітету України по водному господарству; Північно-східній філії Державного науково-виробничого центру «Природа»; у навчальних процесах Національного аерокосмічного університету «ХАІ» та Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

7. Показано, що результати просторового аналізу суттєво доповнюють ведення державного екологічного моніторингу та можуть бути легко поширені на інші басейни річок України та сусідніх країн, наприклад, Росії та Білорусі, де має місце схожа структура вихідних даних та програмне забезпечення для їх ведення на державному рівні та крім того, можуть бути використані не тільки у розрізі водних ресурсів, але й, після певного доопрацювання для інших об'єктів моніторингу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ

1. Використання ГІС-технологій для інвентаризації джерел забруднення поверхневих вод транскордонних об'єктів / [Анпілова Є.С., Волошкіна О.С., Трофимчук О.М., Цибульській А.І.] // Екологія і ресурси. - 2007. - №16. - С. 46-51.

2. Василенко С.Л. Застосування аперіодичних ланок системи автоматичного управління для моделювання адвективно-дифузійного переносу розчинених сполук у водотоках / С.Л. Василенко, Є.С. Анпілова //Екологія і ресурси. - 2007. - №17 - С. 95-98.

3. Аналитико-статистический подход к моделированию трансформации загрязняющих веществ в зоне смешения речной и возвратной воды / С.Л. Василенко, А.Н. Трофимчук, Е.С. Анпилова // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - 2007. -. - С. 35-42.

4. Анпілова Є.С. Щодо питання ведення моніторингу на створах річки Сіверський Донець / Є.С. Анпілова // Екологія і ресурси. - 2006. - №13. - С. 127-132.

5. Анпілова Є.С. ГІС-технології для оцінки техногенного впливу нафтопроводів на навколишнє середовище та оцінки збитків / Є.С. Анпілова, В.І. Клименко // Екологія і ресурси. - 2003. - №8. - С. 52-58.

6. Оцінка якості басейну транскордонної р. Сіверський Донець геостатистичним методом / [Анпілова Є.С., Клименко В.І., Красовський Г.Я., Трофимчук О.М.] // ІІ -й Всеукраїнський з'їзд екологів з міжнародною участю (Екологія/Ecology-2009): зб. наук. статей, (Вінниця, 23-29 вересня 2009 р.) М-во освіти та науки, Вінниц. нац. тех. унівр-т - В.: Вінниц. нац. тех. унівр-т, 2009. - С. 100-103.

7. Анпілова Є.С. Аналіз даних якості поверхневих вод басейну р. Сіверський Донець геостатистичним методом / Є.С. Анпілова, О.М. Трофимчук // Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях: VIIІ міжнар. наук.-практ. конф., (АР Крим с. Рибаче, 7-10 вересня 2009р.): тези доповідей. - НАНУ - Київ - Харків - АР Крим, 2009. - С. 5-13

8. Анпілова Є.С. ГІС/ДЗЗ технології в управлінні басейном транскордонної річки Сіверський Донець / Є.С. Анпілова // Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях: VII міжнар. наук.-практ. конф., (АР Крим с. Рибаче, 1-5 вересня 2008р.): тези доповідей. - РНБУ-- Київ - Харків - АР Крим, 2008. - С. 41-48.

9. Анпілова Є.С. Сучасне ведення моніторингу басейну транскордонної річки Сіверський Донець за допомогою ГІС/ДЗЗ технологій
/ Є.С. Анпілова // Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного інформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень: міжнар. наук.-практ. конф., 12-13 грудня 2007 р.: матеріали конф. - НАНУ- Київ, 2007. - С. 125-129.

10. Анпілова Є.С. Оцінка якості води басейну річки Сіверський Донець в межах Луганської області за допомогою ГІС/ДЗЗ технологій / Є.С. Анпілова, О.М. Трофимчук // Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ-технологій у сприянні вирішення проблем Луганщини: регіонал. нарада, 21-22 листопада 2007 р.: матер. наради. - НКАУ - Луганськ, 2007. - С. 68-72.

11. Анпілова Є.С. Огляд використання ГІС для моделювання процесів, що відбуваються у водних об'єктах / Є.С. Анпілова // Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях: VI міжнар. наук.-практ. конф.: тези доповідей. - РНБУ - Р Крим с. Рибаче. - Київ - Харків - АР Крим, 2007. - С. 52-60.

12. Волошкіна О.С. Оцінка гідрохімічного режиму якості поверхневих вод транскордонної ділянки р. Сіверський Донець в межах Луганської області / О.С. Волошкіна, Є.С. Анпілова // Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов: XV междунар. науч.-прак. конф., 4-8 июня 2007г.: сб. науч. трудов - Х.: УкрГНТЦ «Энергосталь», «Издательство Сага», 2007. - Т. ІІ. -С. 193-205.

13. Анпілова Є.С. Щодо питання басейнового принципу управління водними ресурсами / Є.С. Анпілова // Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах : ІІІ міжнар.наук.-практ. конф.: тези доповідей - Крим, 2004. - С. 124-125.

14. Анпілова Є.С. Впровадження та використання сучасних ГІС-технологій в управління якістю поверхневих вод / Є.С. Анпілова // Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ - технологій у сприянні вирішення проблем Рівненщини: регіонал. нарада, 12-14 грудня 2006 р.: матер. наради. - НКАУ - Рівне: 2006. - С. 13-15.

15. Анпілова Є.С. Доцільність впровадження ГІС технологій для управління басейном транскордонної річки Сіверський Донець / Є.С. Анпілова // Застосування інформаційних технологій на шляху досягнення сталого розвитку: міжвузівська студ. наук.-техн. конф.: матер. конф. - Л.: МОН, Нац. лісотех. ун-т України, 2008. - С. 43-44.

16. Анпілова Є.С. Здійснення моніторингу транскордонної річки Сіверський Донець засобами ГІС/ДЗЗ технологій / Є.С. Анпілова // Шевченківська весна: -VI міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспір. та мол. вчених, 20-23 березня 2008 р.: матер. конф. - К.: Наук. тов. студ. та аспір. Киівск. нац. ун-ту ім. Т. Шевченка, 2008 . - Том. 1. - С. 4-5.

АНОТАЦІЯ

Анпілова Є.С. Оцінка якості поверхневих вод методами сучасних геоінформаційних технологій (на прикладі р. Сіверський Донець). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. Інститут проблем національної безпеки при РНБО України, Київ, 2011.

Дисертація присвячена питанням розробки сучасних технологій оцінювання якості поверхневих вод, картографічного забезпечення підтримки рішень для ефективного використання і управління водними ресурсами та вдосконалення проведення моніторингу поверхневих вод, які засновані на використанні методів та засобів геоінформаційних технологій та дистанційного зондування Землі.

Проведено аналіз стану найбільш техногенно-навантаженого в Україні басейну річки Сіверський Донець, визначено причини забруднення поверхневих вод, проведено інвентаризацію основних джерел забруднення за допомогою методів дистанційного зондування Землі, побудовано базу геоданих за інформацією із різних джерел.

В умовах регулярного скорочення кількості гідрологічних пунктів та постів спостережень в Україні інформація про детальні спостереження на мережі пунктів або відсутня або недосяжна. В той самий час, є сучасні геоінформаційні технології та відповідний програмний інструментарій, що дозволяє вирахувати значення показників у тих точках, де вимірювання не проводились.

У дисертаційній роботі проаналізовано та використано бази геоданих у різних цифрових форматах та на їх основі побудовано цифрові карти, а за допомогою методу геостатистичного аналізу виконано розрахунок якості поверхневих вод у місцях, де вимірювання не проводились.

Створено нову модель оцінки якості поверхневих вод шляхом синтезу геостатистичних методів інтерполяції та удосконаленого методу оцінки якості вод по класах та категоріях.

Результати даної роботи були використані у виробничій діяльності: Сіверсько-Донецького басейнового управління водних ресурсів Державного комітету України по водному господарству; Північно-східній філії Державного науково-виробничого центру «Природа».

Ключові слова: якість поверхневих вод, оцінка якості поверхневих вод, басейн річки, геоінформаційні технології, екологічний моніторинг, забруднення поверхневих вод, дистанційне зондування Землі.

Анпилова Е.С. Оценка качества поверхностных вод методами современных геоинформационных технологий (на примере р. Северский Донец). - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. Институт проблем национальной безопасности при СНБО Украины, Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки современных технологий оценки качества поверхностных вод, картографическому обеспечению поддержки принятия решений для эффективного использования и управления водными ресурсами, усовершенствования экологического мониторинга, которые основаны на использовании методов и средств геоинформационных технологий и дистанционного зондирования Земли.

Химический состав природных вод сложен и отличается большим разнообразием, а под влиянием антропогенной нагрузки в водные объекты поступает большое количество загрязняющих веществ. В условиях регулярного сокращения количества гидрологических пунктов и постов, информация о детальных наблюдениях отсутствует вовсе или недоступна. В связи с этим возникает необходимость в разработке методов, которые предусматривают комплексный подход для оценки загрязнения поверхностных вод бассейнов рек.

Для реализации поставленных задач был осуществлен анализ состояния наиболее техногенно-нагруженного в Украине бассейна реки Северский Донец, выявлены причины загрязнения поверхностных вод, проведена инвентаризация основных источников загрязнения с помощью методов дистанционного зондирования Земли, создана база геоданных на основе различных источников исходной информации.

Усовершенствован метод оценки качества поверхностных вод путем синтеза геостатистических методов интерполяции и метода оценки качества по классам и категориям, в результате которого установлены закономерности изменения качества поверхностных вод не только в местах взятия проб, но и по всему бассейну (на примере р. Северский Донец);

Предложены новые подходы к усовершенствованию системы государственного мониторинга водных ресурсов, повышению объективности и наглядности материалов, которые включены в нормативные документы, связанные с оценками влияния на бассейны рек промышленных объектов, основанных на современных ДЗЗ / ГИС технологиях.

Получили дальнейшее развитие картографические модели качества поверхностных вод бассейна реки Северский Донец, а именно построены карты отображающие:

- непрерывную интерполированную поверхность категорий качества поверхностных вод в любой точке бассейна реки;

- вероятность изменения качества поверхностных вод бассейна Северский Донец;

- стандартную ошибку интерполяции категорий качества поверхностных вод бассейна р. Северский Донец.

Результаты данной работы были использованы в производственной деятельности: Северско-Донецкого бассейнового управления водных ресурсов Государственного комитета Украины по водному хозяйству; Северо-восточном филиале Государственного научно-производственного центра «Природа».

Важно то, что такой подход улучшения государственного мониторинга может быть использован не только в разрезе водных ресурсов, но и, после определенной доработки для других объектов мониторинга.

Практическая ценность полученных результатов состоит в возможности использования данной модели при построении схем мониторинга для пристального надзора за территориями, которые подвержены значительной антропогенной нагрузке. Также полученные результаты помогают выявить основные источники загрязнения водоемов, контроль выбросов, которых должен быть усилен.

Ключевые слова: качество поверхностных вод, оценка качества поверхностных вод, бассейн реки, геоинформационные технологии, экологический мониторинг, загрязнения поверхностных вод, дистанционное зондирование Земли.

Anpilova E.S. Assessment of quality of surface water using modern methods of GIS technologies (on the example of Severskiy Donets river). - Manuscript.

Thesis for the degree of Сandidate of Technical Sciences for specialty 21.06.01 - Ecological Safety. - Institute of National Safety Problems of NSSB of Ukraine, Kyiv, 2011.

Thesis is dedicated to development of modern technologies of surface water quality assessment, cartographic decision making support for the effective use of water resources and improvement of surface water monitoring based on methods and tools of GIS technologies and remote sensing.

For realization of the tasks, analysis of the most technologically - loaded in Ukraine Severskiy Donets river basin has been carried out, the causes of contamination of surface waters have been identified, an inventory of major sources of pollution by using remote sensing have been carried out, geo-database has been created based on various sources of background information.

Information on detailed observations is non-existent or unavailable taking in the conditions of regular reduction in the number of hydrological stations and observation posts in Ukraine. At the same time, there is modern GIS technology with a set of tools to calculate the values of parameters in those points where measurements were not performed.

In preparation of this dissertation, geodatabases in various digital formats were reviewed and used. Digital maps have been developed on the basis of these digital data; calculations of surface water quality in areas where measurements were not performed have been carried out with use of geostatistical analysis.

A new model for evaluating surface water quality has been developed through the synthesis of geostatistical interpolation methods and an improved method for assessing water quality by classes and categories.

The results of this work were used in industrial activities: Seversky-Donets basin management of water resources of the State Committee of Ukraine for Water Management, North-Eastern Branch of the State Scientific Production Center "Nature".

Keywords: quality of surface water quality assessment of surface water, river basin, geographical information technology, environmental monitoring, pollution of surface waters, remote sensing of the Earth.

Размещено на Allbest.ru

...