Оцінка техногенного забруднення ґрунтів методами сучасних інформаційних технологій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 504.062 + 528.8

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оцінка техногенного забруднення ґрунтів методами сучасних інформаційних технологій

21.06.01 - Екологічна безпека

Клименко Вікторія Ігорівна

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем національної безпеки при Раді національної безпеки та оборони України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Трофимчук Олександр Миколайович, Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, заступник директора з наукової роботи, м. Київ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Попов Михайло Олексійович Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі НАН України, заступник директора з наукової роботи м. Київ;

кандидат технічних наук Дмитрієва Олена Олексіївна Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, заступник директора з наукового напрямку та з маркетингу наукових досліджень, м. Харків.

Захист відбудеться 08.10.2008 р. о__13___годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Основи та фундаменти”, “Будівельні матеріали та вироби”, “Екологічна безпека” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, Повітрофлотський просп. 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, Повітрофлотський просп. 31.

Автореферат розіслано 06.09.2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Суханевич М.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Відповідно до Конституції України ст. 14 Земля є основним національним багатством, що перебуває під особливою охороною держави. В останні роки спостерігаються суттєві негативні зміни у якісному стані земель, обумовлені посиленням інтенсивності впливу антропогенних та техногенних факторів на земельні ресурси. Незбалансоване навантаження на землі всіх категорій, визначених Земельним кодексом України, досягло рівня, за яким можливі катастрофічні наслідки не тільки для всієї системи природокористування, але і для соціальної сфери в цілому. Як свідчать статистичні дані, спостерігається стала тенденція погіршення родючості якісного стану земельного фонду. Особливе занепокоєння викликає зростання в останні роки процесів техногенного забруднення та порушень водно-хімічних показників якості ґрунтів. Для підтримки рішень по забезпеченню виконання вимог закону України “Про охорону земель” і ряду інших законодавчих актів, регулюючих сучасні земельні відносини в Україні, необхідно мати достовірні, точні і своєчасні дані про якісні і топографічні характеристики деградованих земель, природу і параметри чинників деградації. Розробці сучасних методів отримання таких даних, які базуються на використанні матеріалів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) з космосу і засобів геоінформаційних систем (ГІС) присвячена дана дисертаційна робота.

В ній розв'язується актуальне науково-практичне завдання щодо обґрунтування ефективності залучення сучасних ДЗЗ/ГІС технологій для вдосконалення системи державного моніторингу земельних ресурсів та визначення топографічних параметрів забруднених техногенним пилом грунтів зосередженими, просторово-розподіленими та лінійно-протяжними джерелами викидів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідних робіт за темами “Стан земельних ресурсів і землекористування в контексті соціальної, економічної та продовольчої безпеки держави” (2006-2007 рр., № держреєстрації 0106U011857), “Розробка методичних підходів до підвищення ефективності використання земельних ресурсів України, вдосконалення державної системи моніторингу довкілля” (2008 р., № 0108U004391) в Інституті проблем національної безпеки при РНБО України, “Створення бази даних природних ресурсів та аналіз екологічних проблем в мінерально-сировинному комплексі України” (2004-2006 рр., № 0105U000441), “Система інформаційно-аналітичного забезпечення та раціонального природокористування загальнодержавних та регіональних органів виконавчої влади” (2006-2009 рр., № 0307U003378) в Інституті телекомунікацій і глобального інформаційного простору.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методів дослідження процесів забруднення земельних ресурсів техногенним пилом шляхом тематичного дешифрування космічних знімків і застосування інструментів сучасних ГІС. Для екологічної інтерпретації космічних знімків необхідно знати фізичні основи формування їх інформативної складової, а також мати ефективні алгоритми їх числової обробки для синтезу відповідних тематичних карт. Тому предметом роботи були дослідження інформативності даних ДЗЗ відносно можливостей ідентифікації поточних станів якісних показників ґрунтів в умовах впливу на них техногенного забруднення, а також розробка числових алгоритмів тематичної обробки космічних знімків. Ці алгоритми, у поєднанні з можливостями програмних комплексів ERDAS і ARС/VIEW становлять основу інформаційної технології синтезу тематичних електронних карт, які характеризують поточний екологічний стан визначених земельних масивів і рівень техногенного навантаження на них джерелами викидів в атмосферу.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі вирішені наступні основні задачі:

- вивчена сучасна організація державного моніторингу якісних показників земельних ресурсів і обґрунтована доцільність залучення до неї технологій ДЗЗ;

- досліджені механізми формування інформативної складової при зондуванні ґрунтів з космосу в оптичному, інфрачервоному (ІЧ-) і надвисоко-частотному (НВЧ) діапазонах спектру електромагнітних хвиль;

- на основі ДЗЗ/ГІС технологій розроблені моделі забруднення земель техногенним пилом зосереджених, просторово розподілених та лінійно-протяжних джерел викидів;

- визначені перспективні напрями впровадження розроблених інформаційних технологій моніторингу забруднених земель в реалізацію завдань їх охорони і раціонального використання.

Об'єктом досліджень є процеси забруднення ґрунтів під впливом техногенного навантаження.

Предметом досліджень є оцінка техногенного забруднення ґрунтів із застосуванням ДЗЗ/ГІС технологій.

Методи дослідження: методи цифрової обробки даних ДЗЗ, візуального тематичного дешифрування космічних знімків, математичної статистики та числові методи моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропоновано новий метод моніторингу екологічного стану земель під впливом забруднення техногенним пилом, який базується на ДЗЗ/ГІС технологіях;

- розроблено методологію синтезу моделей оцінок топографічних параметрів навантаження земель техногенним пилом від зосереджених, просторово-розподілених та лінійно-протяжних джерел викидів в атмосферу;

- удосконалено методику інвентаризації лісосмуг уздовж автодоріг як екрануючого чиннику впливу викидів автотранспорту на навколишнє природне середовище;

- встановлено сталі закономірності кількісного та якісного техногенного забруднення ґрунтів;

- вперше реалізовано нову методику геохімічного моніторингу для територій, прилеглих до великих міст і промислових центрів.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено метод картографування забруднених земель, який суттєво підвищує точність і достовірність оцінок якісного стану земель при проведенні державного моніторингу і бонітування ґрунтів та об'єктивність нормативних і експертних грошових оцінок земельних масивів і ділянок;

- запропоновано технологію синтезу моделей геопросторових параметрів забруднених земель, яка дозволяє оптимізувати сітку станцій відбору проб ґрунту при проведенні на території України геоекологічного моніторингу різних масштабів;

- розроблено методологію інвентаризації лісосмуг, що дозволяє отримати об'єктивні і наочні первинні дані для визначення ділянок автошляхів з низькою ефективністю їх захисних властивостей;

- запропоновано моделі сценаріїв розвитку надзвичайних ситуацій на нафтопроводах, які можуть знайти практичне застосування у випадках необхідності оперативного планування і ліквідації наслідків викидів нафтопродуктів на прилеглі земельні масиви.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в учбовому процесі у Національному аерокосмічному університеті “ХАІ” на кафедрі виробництва радіоелектронних пристроїв у вигляді методики використання програмного забезпечення при картографуванні алгоритмів програмування прикладних ГІС-задач та рекомендацій щодо проведення фотограмметричних розрахунків при роботі з кадастровими системами; при розробці Північно-східною філією ДНВЦ “Природа” методичного забезпечення тематичного дешифрування космічних знімків з метою картографування ареалів забруднення навколишнього середовища зосередженими і просторово-розподіленими джерелами викидів в атмосферу; в міській програмі “Поводження з твердими побутовими відходами на 2006-2011 рр.”, яка виконувалася для Комунального підприємства “Васильківський комбінат комунальних послуг” Васильківської міської ради; при розробці методик тематичної обробки космічних знімків по проекту “Створення інформаційно-аналітичної системи НКАУ”, який виконувався в Державному підприємстві “Науково-дослідний і проектний інститут «СОЮЗ»”.

Всі положення та результати, які виносяться на захист, отримані автором самостійно. Внесок здобувача в публікації, які виконані в співавторстві, полягає в наступному Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних досліджень, обробці одержаних результатів, впровадженні розроблених матеріалів і відображений у наукових працях:

- використано сучасну ГІС на прикладі виникнення надзвичайних ситуацій на нафтопроводі та опрацьовано моделі розрахунку забруднення різних компонентів навколишнього середовища [1, 2];

- виконано тематичну обробку космічних знімків і екологічну інтерпретацію отриманих картографічних моделей [3, 4];

- визначено параметри повторюваності напрямків вітрів в зоні осадження техногенного пилу в деяких містах України, синтезовано картографічні моделі забруднення земель навколо цих міст [5];

- запропоновано технологію картографування забруднених земель викидами автотранспорту, яка базується на використанні космічних знімків, проведено аналіз забруднення ґрунтів шкідливими викидами автотранспорту, спостереження по знищенню лісових насаджень на ділянці траси Київ - Одеса та отримано обґрунтований висновок про захисні властивості лісосмуг вздовж автомобільних доріг [6, 12];

- досліджено вплив ТЕС на навколишнє природне середовище, представлені різні методики підрахування поширення викидів та їх акумуляції ґрунтами [7, 9, 11];

- визначено вплив місць видалення відходів на оточуючі землі сільськогосподарського призначення засобами геоінформаційних систем та дистанційного зондування Землі [8, 10].

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертації доповідалися на: I Міжнародній конференції “Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти” (м. Київ, 2002 р.); III та V Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах” (c.Рибаче, Крим, 2004 р., 2006 р.); VI Міжнародній науково-практичній конференції “ГІС -ФОРУМ” (м. Київ, 2006 р.); на Всеукраїнській науковій конференції студентів і аспірантів “Екологічна безпека держави” (НАУ, м. Київ, 2007 р.), на міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного геоінформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень» (ІПНБ при РНБОУ, м. Київ, 2007 р.), на регіональній нараді “Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ - технологій у сприянні вирішення проблем Київщини” (м. Київ, 2007 р.); на міжвузівській студентській науково-технічній конференції «Застосування інформаційних технологій на шляху досягнення сталого розвитку» (НЛТУ України, м. Львів, 2008 р.).

Публікації: Основні положення та результати дисертаційних досліджень робіт опубліковані у 12 наукових працях, з них 5 статей у фахових виданнях ВАК України, 8 доповідей на конференціях і семінарах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 122 найменувань на 10 сторінках, а також 9 додатків на 36 сторінках. Робота викладена на 183 сторінках і містить 135 сторінок основного тексту, 26 таблиць і 44 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв'язок дисертації з науковими програмами та планами, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів та коротко викладено основні положення дисертації.

У першому розділі розглянуто вплив природних та антропогенних чинників на динаміку і тенденції деградації земель, до причин виникнення яких відносять невірне землекористування, забруднення різними шкідливими елементами. Проблемами забруднення ґрунтів займалися такі видатні науковці як Булигін С.Ю., Виноградов Б.В., Жовинський Е.Я., Заславський М.Н., Ковда В.А., Лактіонова Т.М., Медведєв В.В., Мирцхулава Ц.Е., Craig R.F. та інші, застосуванням ДЗЗ та ГІС при дослідженні в ґрунтах Готинян В.С., Греков Л.Д., Григор'єв А.А., Дмитрієва О.О., Довгий С.О., Кондратьєв К.Я., Красовський Г.Я., Ліщитович Л.І., Лялько В.І., Попов М.О., Трофимчук О.М., Charlton J.A., Jensen J.R., Mann R.E. та інші.

Негативні чинники природного та техногенного навантаження на ґрунти досить сильно впливають на їх екологічний стан, що призводить до накопичення хімічних забруднюючих елементів в ґрунтах, значних змін фізичних та хімічних властивостей, зменшення родючості та уповільнення росту рослин, розвитку процесів ерозії та дефляції.

При виконанні спостережень за ґрунтами, які акумулюють забруднюючі речовини різного походження, необхідно враховувати ступінь їх токсичності, вплив на оточуюче середовище, масштаби, розміри та склад викидів. Вірний вибір методів відбору, аналізу проб та статистичної обробки ґрунтів є достатньо важливим.

Ефективне планування і реалізація заходів з охорони земель повинні базуватися на точних і достовірних даних про поточний екологічний стан земель і параметрів техногенних чинників впливу на них. Традиційно такі дані отримують методами регулярних наземних досліджень шляхом відбору і аналітичного аналізу проб ґрунту. Можливості цих методів можна суттєво розширити за рахунок залучення методів тематичного дешифрування космічних знімків і обробки отриманих при цьому геопросторових даних інструментарієм сучасних ГІС - платформ.

У другому розділі наведено ДЗЗ - ГІС технології оцінок забруднення земель техногенним пилом зосереджених джерел викидів в атмосферу. Особливо помітні прояви забруднення земель і фітоценозів в зонах впливу викидів в атмосферу газопилових сумішей потужними джерелами, якими є теплові електростанції, підприємства металургійного, коксохімічного і ряду інших виробництв. Від технічних характеристик обладнання (висота та діаметр димових труб) і параметрів викидів (температура, співвідношення газових і пилових компонентів, хімічний і гранулометричний склад, швидкість потоку газопилової суміші та ін.), а також місцевих погодно-кліматичних умов (вологість повітря, характеристики опадів, повторюваність та сила вітру) залежить просторово-часовий розподіл забруднюючих речовин в приземному шарі атмосфери і, як наслідок, фітоценозах і землях довкола потужних джерел викидів.

Можливі декілька підходів до аналізу просторово-часового розподілу в навколишньому середовищі техногенних викидів в атмосферу. Найбільш поширені з них - математичне моделювання та натурні виміри концентрацій складових викидів на сітці стаціонарних або пересувних постів. Кожен із згаданих підходів має свої переваги і недоліки. Але можливості отримування даних можуть бути суттєво розширені за рахунок залучення технологій ДЗЗ з космосу та геоінформаційних систем.

При дешифруванні по космічних знімках техногенного забруднення земель найбільш доцільним уявляється використання ознак, пов'язаних з варіаціями альбедо снігового покриву. Дійсно, в ряді багатьох чинників, які впливають на них, домінуючим є вміст акумульованого снігом техногенного пилу, який осаджується із атмосфери. Для картографування ареалів, в яких цей вміст перевищує фоновий рівень залучались програмний комплекс ERDAS IMAGINE від Leica Geosystems GIS & Mapping і спеціалізована програма ІMPROC. Засобами ERDAS IMAGINE виконувались окремі етапи первинної обробки космічних знімків, а також визначались межі кластерів «ліс» і «забудована територія» - об'єкти, що маскують межі зон забруднення снігового покриву. Оконтурювання останніх виконувалось алгоритмом програми ІMPROC, який забезпечував реалізацію наступних етапів:

- формування доповнюючої структурної дешифрувальної ознаки;

- побудови двовимірної гістограми у просторі «яскравість-структурна ознака»; зондування космос інфрачервоний електромагнітний

- побудови розпізнаючого правила.

Доповнюючою структурною дешифрувальною ознакою була обрана величина модуля градієнта яскравості - G, яка визначається шляхом просторового диференціювання, тобто обчисленням похідних та , де F - яскравість зображення, застосуванням згортки з масками оператора Собела H_x та H_y.

Модуль градієнта G обчислюється як

.

Припускається, що для лісу величина G повинна бути нижче, ніж для забрудненого снігу, так як у межах лісних масивів яскравість зображення змінюється лише внаслідок флуктуацій, а в межах ділянок забрудненого снігового покриву повинно спостерігатися збільшення яскравості по ступеню віддалення від джерела забруднення до периферії забруднення.

Використовуючи описані вище інформаційні ресурси і програмно-алгоритмічні засоби в деяких районах території Київської області були ідентифіковані топографічні параметри ділянок снігового покриву з аномальними рівнями альбедо. Кожен знімок засобами ГІС проектувався з вирівнюванням масштабів на відповідну ділянку електронної карти України, що давало змогу визначати реальні контури урбанізованих територій і лісових масивів як чинників, що маскують забруднення снігу техногенним пилом, а також географічні або прямокутні координати контурів ідентифікованих ареалів забруднення снігового покриву.

Виходячи з того, що основний вклад в загальну кількість викидів від стаціонарних джерел підприємств Київської області вносить Трипільська ТЕС, викиди якої в 2004 р. склали 59,327 тис. тонн, або 75,2% від загального обсягу викидів стаціонарними джерелами, вона була визначена тест - об'єктом для досліджень можливостей використання космічних знімків в завданнях моніторингу забруднення атмосфери стаціонарними джерелами викидів.

Для визначення розмірів зони забруднення приземного шару атмосфери техногенним пилом Трипільської ТЕС залучались космічні знімки ASTER, SPOT, LANDSAT центральних районів Київської області за 2002 - 2005 роки, а також MODIS та NOAA, отриманих в реальному вимiрi часу в терміни січень - квітень 2005 року.

Всі космічні знімки, які використовувалися для ідентифікації параметрів зон впливу викидів в атмосферу Трипільської ТЕС, трансформувалися в картографічну проекцію електронної топографічної карти Київської області М 1:200 000, яка підтримується засобами геоінформаційної системи ARG/VIEW. Оскільки залучені космічні знімки були отримані при випадковій виборці напрямів та швидкостей вітру, по ним визначалася середня віддаленість від джерела викидів меж, де концентрація техногенного пилу приблизно зрівнюється з фоном. Для Трипільської ТЕС, складу та об'ємів її викидів в атмосферу це віддалення в середньому складає 20 км. В припущенні рівномірного по напрямках розсіювання викидів в атмосфері площа забруднення земель техногенним пилом сягала б близько 1260 км². Виходячи з оцінки валових викидів пилу в середньому за рік порядку 40 000 т, отримаємо, що в цьому випадку на 1км² земель тільки з викидів Трипільської ТЕС осідало б близько 32 тонн техногенного пилу. Відомо, що викиди станції по напрямках розсіюються нерівномірно. Так при фіксованому напрямі вітру, як свідчать космічні знімки високої просторової роздільної здатності, техногенний пил Трипільської ТЕС зазвичай осідає в секторі, який складає 1/8 кола, тобто на площу приблизно 157 км². Виходячи з добової норми викидів пилу в 2004 року - близько 110 т, а також кількості діб в календарному році з певним напрямком переносу викидів, наприклад, у північному - 64 доби, отримаємо, що річна норма навантаження викидами Трипільської ТЕС 1км² земель в секторі 67.5⁰-112.5⁰ складає близько 45 тонн.

Скориставшись даними напрямку вітру, а також ураховуючи параметри димових шлейфів, отриманих дешифруванням випадкового набору космічних знімків високої просторової роздільної здатності, нескладно отримати прогнозні оцінки навантаження земель техногенним пилом у довільному секторі навкруги Трипільської ТЕС.

Результати картографування ареалів забруднення снігу та ідентифікації димових шлейфів на випадкових наборах космічних знімків дають підстави очікувати наведені на рис. 2 сезонні ареали забруднення земель пилом з викидів Трипільської ТЕС. Ареал з позначкою І формується з вересня по травень, а з позначкою ІІ- впродовж осені, зими та весни. Наявність “острівця чистої території” в безпосередній близькості від самої ТЕС обумовлена закономірностями осадження в атмосфері з висоти 180м твердих часточок.

Скориставшись стандартними засобами ГІС, в даному випадку Arс/View, нескладно визначити, що влітку викиди Трипільської ТЕС сприяють забрудненню приблизно 500 км² території Київської області, а в решту сезонів - 600 км² .

Таким чином, використовуючи дані параметру вітрів, склад та обсяги викидів ТЕС отримані картографічні моделі кількісних оцінок навантаження техногенним пилом земель навкруги забруднюючих об'єктів.

Для доповнення картографічної моделі були виконані математичні розрахунки по розподілу концентрації забруднюючих речовин в атмосфері, по методиці розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, розробленою Головною геофізичною обсерваторією ім. А.І. Воейкова:

С_м =

де А - коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери; М - маса забруднюючої речовини, що викидається в атмосферу за одиницю часу, г/с; F - коефіцієнт швидкості осідання шкідливих речовин в атмосфері; - коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу; ?Т (⁰С) - різниця між температурою; V₁- об`ємна витрата газоповітряної суміші (м³/с).

Для підтвердження достовірності результатів також використано результати лабораторних досліджень проб атмосферного повітря в зоні впливу Трипільської ТЕС. Лабораторні дослідження проводилися в 2004 році на вміст пилу, сірчистого ангідриду, двоокису азоту та оксиду вуглецю в атмосферному повітрі. Проби відбиралися на відстані 600 м, 3600 м та 7200 м по різним напрямкам від джерела забруднення у кожному місяці на протязі року. Для наочності результати проб відображено в геоінформаційні системі ArcGis, де чітко показуються відстані, на яких проводився відбір зразків, та кількісні показники відмічених зразків на заданій території.

При накладанні трьох шарів даних: відстаней формування максимальних приземних концентрацій для Трипільської ТЕС, отриманих застосуванням методики розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, розробленою ГГО ім. Воєйкова; результатів лабораторних досліджень проб атмосферного повітря в зоні впливу Трипільської ТЕС та ареалу забруднення земель техногенним пилом, отриманих при застосуванні розробленої картографічної моделі, отримаємо, що результати проб атмосферного повітря в зоні впливу Трипільської ТЕС за картографічною моделлю повністю співпадають з отриманими даними за існуючими методиками проведення спостережень за ґрунтами, а також суттєво доповнюють їх можливістю отримування розширених, більш повних даних з використанням менших затрат.

Отримані результати у повному обсязі дозволяють підтвердити достовірність отриманої картографічної моделі при розрахунках кількісних та якісних показників поширення забруднення від зосереджених джерел викидів, що проілюстровано на прикладі Трипільської ТЕС.

В третьому розділі показано моделі забруднення земель навколо міст та місць видалення відходів.

На екологічний стан атмосфери, ґрунтів та інших компонентів біосфери можуть впливати не тільки зосереджені об'єкти, а й просторово розподілені та лінійно-протяжні, такі як території міст з розвиненою промисловістю або із значною кількістю малопотужних стаціонарних та пересувних джерел викидів. Сукупний вплив цих факторів при визначенні еколого-санітарному стані середовища досить часто перевищує фоновий. При розробці ефективних засобів для проведення моніторингу міст та ґрунтів, забруднених техногенним пилом, є доцільним використовувати матеріали космічних знімків оптичного діапазону з просторовою роздільною здатністю від декількох дециметрів - QUICK BIRD, IKONOS, до декількох сот метрів - MODIS, NOAA та інші. Методики їх тематичного дешифрування практично нічим не відрізняються від описаних вище для випадків зосереджених джерел викидів.

Аналіз матеріалів «Доповіді про стан навколишнього природного середовища в 2004 р.», підготовлений Державним управлінням екології та природних ресурсів в Київській області Міністерства охорони навколишнього природного середовища України дає підстави для висновку, що підвищений, порівняно з фоновим, рівень забруднення приземного шару атмосфери спостерігається в наступних містах: Київ, Бориспіль, Бровари, Васильків, Ірпінь, Фастів, Біла Церква. Обробкою космічних знімків з каталогу з залученням візуальних методів і програмних засобів визначались ареали забруднення сніговогу покриву навколо цих міст у періоди його сталого існування рис. 5, 6. Отримані картографічні моделі свідчать, що Київ і прилеглі до нього міста, мають суцільну зону техногенного навантаження на приземний шар атмосфери.

Спираючись на ці моделі та отримані дешифруванням космічних знімків ASTER, LANDSAT, SPOT картографічні моделі техногенного забруднення снігового покриву та атмосфери, було зроблено висновок, що сталий ареал забруднення довкілля мегаполісу Києва та м. Біла Церква має вигляд і розміри, наведені на рис. 6. Обрахувавши кількість сільськогосподарських земель, що потрапляють в зону забруднення від Києва та прилеглих міст, визначили, що близько 3500 км² угідь знаходяться в незадовільному стані від техногенного пилу.

Ще на одному прикладі були отримані оцінки масштабів забруднення земель під впливом процесів деструкції речовин, акумульованих в місцях видалення відходів(МВВ). Масштаби забруднення земель від негативного впливу місць видалення відходів методами ГІС/ДЗЗ технологій були оцінені на прикладі МВВ м. Василькова Київської області. З використанням паспорта МВВ було зроблено аналіз прилеглих земель, які потрапили в зону забруднення, внаслідок негативного впливу від продуктів вивітрювання та горіння видалених відходів - це близько 7 км². Для визначення цієї зони навкруги МВВ були використані зимові космічні знімки ASTER (рис.7), на яких достатньо надійно ідентифікується балка, де розташоване сміттєзвалище та забруднення, яке поширюється навкруги. При його визначеності враховувалися як роза вітрів, так і вплив маскуючи факторів, обумовлених сусідніми джерелами викидів в атмосферу.

Велику небезпеку ще становить той факт, що поблизу цих звалищ знаходяться землі сільськогосподарського призначення та людські городи, що негативно впливає на здоров'я населення, яке споживає продукцію, вирощену на цих земельних ділянках. Тому є досить важливим виявлення зон найбільш забруднених ділянок земель для уникнення їх використання у сільськогосподарських цілях, виконання заходів по поліпшенню якості земель на пошкоджених ділянках та проведення регулярного моніторингу повітря, ґрунтових та поверхневих вод навкруги полігону.

В четвертому розділі запропонована методика інформаційної підтримки рішень по ліквідації забруднення земель внаслідок надзвичайних ситуацій на нафтопроводах та вздовж автомобільних трас. ГІС - технології стають все більш актуальними у випадку опису і моделювання нафтопроводів. Починаючи з проектування і введення в експлуатацію нафтопроводів постійно ставиться задача не тільки отримання економічної ефективності, але й майбутньої безпеки та екологічної гарантії довгострокової їх експлуатації. Для цього важливо мати достатньо надійні оцінки можливих негативних впливів на довкілля при вишукуванні, будівництві та експлуатації кожного нафтопроводу.

Для того, щоб з достатньою точністю оцінити розмір завданої навколишньому середовищу шкоди та обрахувати збитки необхідно оперувати з великою кількістю даних, в тому числі геопросторових. Для цього логічно застосовувати сучасні ГІС - платформи. Їх інструментарій дозволяє на базі систематизованих первинних даних будувати сценарії розвитку надзвичайних ситуацій, наприклад, викиду нафтопродуктів. Так на рис.8 наведена 3D модель сценарію розвитку аварії в деякій точці нафтопроводу. Припускаючи, що нафтопровід проходить недалеко від населеного пункту і трапилась аварія, можна спрогнозувати наскільки це забруднення нанесе шкоду нерухомому майну та земельним ресурсам взагалі.

Для отримання інформаційної моделі забруднення земель вздовж автомобільних трас було опрацьовано ділянку на трасі Київ-Одеса.

Прослідковуючи екологічну ситуацію в транспортній системі зрозуміло, що природному середовищу наносяться суттєві збитки. За різними даними забруднення важкими металами (свинцем, хромом, нікелем та ін.) характерне для прилеглих територій вздовж доріг від 50 до 200 метрів. На цих землях вміст важких металів перевищує ГДК в кілька разів. Розподіл випаду токсичних речовин залежить від метеорологічних умов, топографії місцевості, наявності захисних насаджень, інтенсивності руху транспорту та інших факторів.

Виходячи з вище сказаного зрозуміло, що вірно насаджені захисні лісосмуги дадуть змогу знизити негативний вплив на придорожню смугу та зменшити забруднення ґрунтів, що є досить важливим, особливо для великих доріг України. На сьогоднішній день проблема лісосмуг гостро стоїть для траси Київ-Одеса, внаслідок розширювання автобану і вирубки лісових насаджень.

За допомогою засобів дистанційного зондування отримані дані про динаміку і стан снігового покриву вздовж траси, ідентифіковано нерівномірне розповсюдження забруднення (рис.10).

Найбільш інформативними для завдань інвентаризації лісосмуг є космічні знімки з надвисокою просторовою роздільною здатністю, порядку одного метру типу - ICONOS або QUICKBIRD, однак, також можливе використання космічних знімків зі супутників TERRA, SPOT, LANDSAT, МЕТЕОР - 3М, отриманих у період заключних фаз сходу снігового покриву. На цих знімках локалізацію лісосмуг можна ідентифікувати засобами програмного комплексу ERDAS IMAGINE від Leica Geosystems GIS & Mapping, або спеціалізованих програм тематичної обробки космічних знімків по яскравісних та текстурних дешифрувальних ознаках, природа яких обумовлена різницею в темпах танення снігу на відкритих ділянках місцевості і акумульованого, власне, лісосмугами. При цьому топографічні параметри лісосмуг зручно визначати в середовищі таких ГІС - оболонок, як MAP/INFO, ARC/INFO, ARC/VIEW.

На першому етапі інвентаризації придорожніх лісосмуг виконується класифікація окремих ділянок автомобільних шляхів по трьох ознаках: К1 - наявність лісосмуги з одного боку; К2 - наявність лісосмуг з двох боків; К3 - відсутність лісосмуг. Завдання наступних етапів зводяться до визначення індивідуальних ознак кожного класифікаційного елементу, які обумовлюють його ефективність з точки зору охорони прилеглих до автодоріг земель від забруднення викидами автотранспорту.

Аналізуючи текстурні ознаки снігових смуг уздовж доріг з залученням тематичного шару «автомобільні дороги» з векторної топографічної карти відповідної місцевості, визначаються ділянки з характерними ознаками лісосмуг (послідовність крапок по узбіччю дороги на рис.10). Для наочності, отримана картографічна модель доповнена деякими тематичними шарами на тлі космічного знімку, що суттєво підвищує її інформативність.

З залученням даних про параметри вітрів в місцевості, де знаходиться розглянута ділянка автомобільної дороги, синтезуються картографічні моделі меж можливого забруднення прилеглих земель викидами автомобільного транспорту.

Засобами ГІС «ОКО» побудована карта оцінки просторового розподілення значень деякої функції, яка враховує оверлейне накладання довільної кількості тематичних шарів і виконується комплексна оцінка впливу на ділянку місцевості визначеної множини чинників. В роботі на базі цієї ГІС на прикладі ділянки траси Київ - Одеса розроблена модель просторового розподілу земельних ділянок, забруднених продуктами викидів автотранспорту.

При проведенні цієї роботи було виконано дві основні дії. Перша створює 8 шарів рози вітрів інтерпольованих значень відсотку повторюваності по кожному напрямку за даними метеостанцій Київської області. В результаті визначається переважаючий напрям вітру на будь-якій ділянці Київській області.

Друга дія моделює забруднення доріг - створюються шари віддаленості забруднення для автомагістралей та другорядних доріг окремо. Далі ці шари перетворюються в рівні забруднення, які розраховуються за рівнянням 1/R•0,01+1, де R - значення віддаленості від осі дороги. Сумарне забруднення визначається складанням шарів автомагістралей (Авт) та другорядних доріг (Др), шляхом оверлейного накладання шарів: Авт + Др. • 0,5. Складаються 8 шарів напрямку вітру по відношенню до дороги і моделюється здування забруднення вітром. Кожен зі зміщених шарів оверлейно перемножується на шар повторюваності у відсотках. Так враховується неоднаковість рози вітрів в межах аналізованої території автомагістралі. Потім оверлейно додаються вісім шарів забруднення зміщеним вітром. Отримані результати наводяться у шарі Ітог.

Для більш чіткого визначення ареалу забруднення на цих ділянках можливе відбирання проб снігу та ґрунтів. Маючи повний аналіз про стан земель на таких ділянках, нескладно розробляти заходи з поліпшення їх якості, в тому числі проводити необхідні насадження захисних лісосмуг.

Висновки

Отримані теоретично обґрунтовані і практично підтверджені наукові результати:

1. Проведено аналіз змісту і науково - теоретичних засад сучасних методик моделювання забруднення атмосфери і земель складовими техногенних викидів в атмосферу, показані актуальність і необхідність доповнення отримуваних ними результатів матеріалами екологічної інтерпретації тематичного дешифрування космічних знімків, адаптованих до метричної топографічної основи.

2. Визначено нові підходи до вдосконалення системи державного моніторингу земельних ресурсів, оптимізації розташування станцій відбору проб ґрунту при геоекологічних дослідженнях різних масштабів, підвищення об'єктивності і наочності матеріалів, які включаються в нормативні документи, пов'язані з оцінками впливу на оточуюче середовище промислових об'єктів, що базуються на сучасних ДЗЗ/ГІС технологіях.

3. Розроблено моделі забруднення земель техногенним пилом зосереджених, просторово-розподілених та лінійно-протяжних джерел викидів, які достатні для розрахунків топографічних параметрів таких земель і валових показників техногенного пилу, акумульованих ними в заданий проміжок часу.

4. Продемонстровано доцільність використання оперативних космічних знімків типу NOAA, MODIS та знімків високої просторової роздільної здатності типу LANDSAT, SPOT, ASTER в задачах проведення моніторингу забруднення земель техногенним пилом.

5. Розроблено моделі кількісних оцінок навантаження земель техногенним пилом зосереджених джерел викидів, які на прикладі реального тест - об'єкту - Трипільської ТЕС, засвідчили, що ареал забруднення сільськогосподарських земель її викидами влітку складає 183,5 км², а в інші пори року - 160,5 км².

6. Підтверджено достовірність отриманих результатів накладанням трьох шарів даних (проби ґрунту, математична модель, розроблена картографічна модель), за якими проведено порівняння та отримано результати, що повністю співпадають, а запропонована модель одночасно уточнює реальні контури зони осадження пилу в приземний шар атмосфери і акумуляції його в фітоценозах і ґрунтах.

7. Запропоновано технологію дешифрування ареалів забруднення земель вздовж автомобільних трас, яка враховує захисні властивості лісозахисних смуг і дозволяє в короткі терміни провести їх інвентаризацію.

8. Проведено тематичну обробку космічних знімків для визначення геопросторових параметрів зон забруднення земель техногенним пилом довкола міст Біла Церква, Бориспіль, Бровари, Васильків, Київ та інших.

9. Отримано картографічні моделі місць видалення відходів та визначено зони найбільшого забруднення сільськогосподарських земель навколо цих місць.

10. Встановлено закономірності розповсюдження забруднення при аваріях на нафтопроводах, оцінено економічні збитки в результаті аварії.

11. Доведено, що включення картографічних моделей деградації земель до системи комплексного екологічного моніторингу можуть суттєво підвищити ефективність державного моніторингу деградаційних процесів земельних ресурсів, точність і достовірність оцінок якісного стану земель при проведенні бонітування ґрунтів, нормативних і грошових оцінок земельних ділянок.

12. Розроблені в роботі методи відновлення просторового розподілу земель, підданих забрудненню зосередженими, просторово - розподіленими і лінійно протяжними джерелами викидів є перспективними для практичного застосування не тільки в завданнях підвищення ефективності державного моніторингу земельних ресурсів України, а також в процедурах комплексного екологічного моніторингу, екологічного аудиту і менеджменту.

Основні положення дисертації викладено в роботах

1. Анпілова Є.С. ГІС-технології для оцінки техногенного впливу нафтопроводів на навколищнє середовище та оцінки збитків / [Є.С. Анпілова, В.І. Клименко]. - Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ. - 2003. - №8. - С. 52-58.

2. Ліщитович Л.І. Засоби сучасних інформаційних технологій для оперативного реагування при масштабних катастрофах / [Ліщитович Л.І., Клименко В.І.] // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ. - 2004. - №10. - С. 120-126.

3. Клименко В.І. Охорони земель як важлива складова екологічної безпеки України / [Клименко В.І., Ліщитович Л.І.] // Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього природного середовища та управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах.: Зб. наук. праць.: ІІІ міжн. наук. конф.: тези доп. - Харків, 2004 - С. 94-95.

4. Синтез картографічних моделей забруднення земель техногенним пилом з використанням космічних знімків / [Красовський Г.Я., Трофимчук О.М., Крета Д.Л., Клименко В.І., Пономаренко І.Г., Суходубов О.О.] // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ. - 2005. - №12. - С. 37-55.

5. Ареали забруднення техногенним пилом земель навколо міст України по даних космічних зйомок / [Красовський Г.Я., Трофимчук О.М., Греков Д.Л., Пономаренко І.Г., Клименко В. І., Крета Д.Л., Суходубов О.О.] // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ. - 2006. - №13. - С. 23-39.

6. Моніторинг забруднення земель уздовж доріг викидами автотранспорту засобами ДЗЗ/ГІС технологій / [Довгий С.О., Красовський Г.Я., Трофимчук О.М., Клименко В.І., Крета Д.Л., Суходубов О.О.] // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ. - 2006. - №14. - С. 43-49.

7. Ареал забруднення земель техногенним пилом з викидів Трипільської ТЕС / [Довгий С.О., Волох К.Ф., Зорін С.В., Трофимчук О.М., Красовський Г.Я, Клименко В.І. ] // Сучасні проблеми екологічної та техногенної безпеки регіонів. Зб. наук. праць.: V міжн. наук. практ. конф.: тези доп. - Харків, 2006 - С. 16-20.

8. Клименко В.І. Оцінки масштабів забруднених земель, прилеглих до місць видалення відходів засобами ДЗЗ / [Клименко В.І., Красовський Г.Я., Трофимчук О.М.] // ГІС -ФОРУМ: VI міжнар. наук.-практ. конф., 17-19 травня 2006 р.: тези доп. - К., 2006. - С. 170-172.

9. Клименко В.І. ДЗЗ/ГІС технології оцінок забруднення земель техногенним пилом зосереджених джерел викидів в атмосферу / [Клименко В.І.] // Екологічна безпека держави. Всеукр. наук. конф., НАУ, - 2007. - С.13-16.

10. Греков Л.Д. Оцінки впливу на довкілля Васильківського місця видалення відходів засобами ДЗЗ/ГІС технологій / [Греков Л.Д., Красовський Г.Я., Клименко В.І.] // Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ технологій у сприянні вирішення проблем Київщини: регіональна нарада, 20-21 березня 2007 р.: тези. доп. - К., 2007. - С. 14-15.

11. Клименко В.І. Оцінка техногенного забруднення ґрунтів від негативного впливу зосереджених об'єктів / [Клименко В.І., Трофимчук О.М.] // Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного геоінформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень: міжнар. наук.-практ. конф., 12-13 грудня 2007 р.: тези доп. - К., 2007. - С. 180-184.

12. Клименко В.І. Визначення забруднених земель вздовж доріг засобами дистанційного зондування Землі та геоінформаційних систем / [Клименко В.І.] // Застосування інформаційних технологій на шляху досягнення сталого розвитку: міжвуз. студ. наук.-техн. конф., 26 лют. 2008 р.: тези доп. - Львів, 2008. - С. 26-27.

Анотація

Клименко В.І Оцінка техногенного забруднення ґрунтів методами сучасних інформаційних технологій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. Інститут проблем національної безпеки при РНБО України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена питанням розробки сучасних технологій картографічного забезпечення підтримки рішень для ефективного використання земельних ресурсів та вдосконалення проведення моніторингу грунтів, які засновані на використанні методів дистанційного зондування Землі та засобів геоінформаційних систем.

Для реалізації поставлених задач було проведено аналіз сучасного стану земель Київської області та визначено причини забруднення грунтів, проаналізована доцільність залучення технології дистанційного зондування Землі для проведення державного моніторингу земельних ресурсів, розроблено моделі забруднення земель техногенним пилом зосереджених, просторово-розподілених та лінійно-протяжних джерел викидів за даними космічних зйомок із використанням геоінформаційних систем, визначено перспективні напрямки впровадження розроблених інформаційних технологій моніторингу процесів деградації земель в реалізацію завдань їх охорони і раціонального використання.

Ключові слова: моніторинг грунтів, забруднення грунтів, деградація, техногенне забруднення, дистанційне зондування Землі, засоби геоінформаційних систем, охорона ґрунтів.

Аннотация

Клименко В.И. Оценка техногенного загрязнения грунтов методами современных информационных технологий. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. Институт проблем национальной безопасности при СНБО Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена вопросам разработки современных технологий картографического обеспечения поддержки решений для эффективного использования земельных ресурсов и усовершенствования проведения мониторинга почв, основанных на использовании данных дистанционного зондирования Земли и средств геоинформационных систем.

Основная идея обоснования этих моделей заключается в синтезе картографических моделей, характеризующих пространственно-часовое распределение аномальных концентраций техногенной пыли в атмосфере, и как следствие, в фитоценозах, землях и поверхностных водах возле источников выбросов. Такое распределение является одной из важных характеристик экологического состояния местности, которая имеет достаточно широкий спектр практических использований (медико-экологические исследования и экспертиза, денежная оценка земельных участков, согласования проектов строительства новых, или реконструкция действующих предприятий и т. д.). Так как картографические модели предлагается синтезировать с применением электронных топографических карт соответствующих территорий, средствами современных ГИС несложно определить площади зон влияния на окружающую среду различными источниками выбросов.

Для реализации поставленных задач был проведен анализ нынешнего состояния почв Киевской области и определены причины уменьшения плодородия земель, разработано модели загрязнения земель техногенной пылью сосредоточенных, пространственно-распределенных и линейно-протяжных источников выбросов, используя данные космических снимков и геоинформационные системы, определено перспективные направления внедрения разработанных информационных технологий мониторинга процессов деградации земель в реализацию задач их охраны и рационального использования.

Практическая ценность полученных результатов состоит в создании новой технологии синтеза картографических моделей загрязнения земель, которые могут существенно повысить эффективность государственного мониторинга земельных ресурсов, точность и достоверность оценок состояния почв при проведении экономических оценок почв и денежных оценок земельных участков. Предложенная и проиллюстрированная на реальных примерах технология синтеза картографических моделей загрязненных почв открывает новые возможности оптимизации сетки станций отбора проб почв, определения параметров пространственного распределения и измерений площадей загрязненных земель, картографирования зон влияния промышленных объектов на показатели качества почв близлежащих территорий, определения участков автомобильных дорог с низкой эффективностью защищающих возможностей лесополос, экологической экспертизе мест захоронения отходов, объективной экспертной денежной оценки земельных участков.

Ключевые слова: мониторинг почв, загрязнение почв, деградация, техногенное загрязнение, дистанционное зондирование Земли, геоинформационные системы, охрана почв.

Abstract

Klimenko V.I. Evaluation of technogenesis soil pollution by mans of modern information technologies. - Manuscript

The dissertation on the defending of thesis to award the academic degree of Candidate of Technical Science on 21.06.01 specialty - Environmental Safety. Institute of National Safety Problems, Kyiv, 2008.

The dissertation is about the problems of development of state-of-the-art information technologies in regard to cartographical provision of the support for the solution about the efficient use of land sources and improvement of soil monitoring, which are based on the use of data of remote sensing of the Earth from space and aids of geoinformation systems.

To accomplish the tasks being set, there was analyzed the current status of soils over Kyiv oblast and identified the causes of land degradation and decreasing in its fertility, there was worked out the model of soil contamination with the man-caused dast, of concentrated, diffused and linear-spread sources of pollutant emissions, using data of satellite photographs and geoinformation systems, there were identified the advanced trends in regard to embodiment of the worked out information technologies of monitoring of land degradation processes for the accomplishment of tasks relating to soil conservation.

Key words: soil monitoring, soil contamination, degradation, man-caused dust, remote sensing of the Earth from space, geoinformation systems, soil conservation.

Размещено на Allbest.ru

...