Содержание
Введение
1.Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях
1.1Деградация среды обитания
1.2Загрязнение
1.3Охраняемые территории
1.4Неохраняемые территории
1.5Восстановлениесреды обитания
1.6Мониторинг
2.Комплексная оценка окружающей природной среды
2.1Базовые основы системы комплексной оценки окружающей природной среды
2.2Функциональные возможности системы
2.3Методы получения комплексной оценки
3.Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды внефтегазовой отрасли
Заключение
Литература
геоинформационный карта нефтегазовый мониторинг
Введение
Во всем мире проблемамохраны окружающей среды сейчас уделяется повышенное внимание. И это неудивительно. Бурное развитие хозяйственной деятельности людей создало всепредпосылки реальной возможности экологического кризиса. В этой связи большоезначение приобретает направление, связанное с количественной оценкойантропогенных воздействий на окружающую среду, созданием систем комплекснойоценки состояния экологической обстановки, а также моделированием ипрогнозированием развития ситуации. Создание подобных систем в настоящее времяневозможно без использования современных компьютерных инструментов. Одним изважных инструментов являются ГИС-технологии.
Оценка состояниясложных природных объектов в окружающей среде подразумевает всесторонний анализвоздействия различных факторов. Получение комплексных оценок затрудненомногообразием характеристик объекта, разнотипностью доступной информации, чтоповышает актуальность задачи обеспечения метрологической сопоставимостиразнородных данных.
1. Рольи место ГИС в природоохранных мероприятиях
1.1 Деградация средыобитания
ГИС с успехомиспользуется для создания карт основных параметров окружающей среды. Вдальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявлениямасштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, вчастности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можноосуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий.Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонированиятерритории с выделенными областями, представляющими особый интерес сприродоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками.Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и повыделенным на всех слоях карты тестовым участкам [6].
1.2 Загрязнение
С помощью ГИС удобномоделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных(пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологическойсети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, напримеркарты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. Врезультате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия такихэкстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а такжевлияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей [6].
1.3Охраняемыетерритории
Еще однараспространенная сфера применения ГИС — сбор и управление данными по охраняемымтерриториям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределахохраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинграстительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияниеантропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП,планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможновыполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скотаи прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает нанаучной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровеньвоздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха,водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах [6].
1.4Неохраняемыетерритории
Региональные и местныеруководящие структуры широко применяют возможности ГИС для полученияоптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемымиспользованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций междувладельцем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бываетсравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель иперспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможностьсопоставления границ землепользования с требованиями дикой природы. Например, вряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции дикихживотных через освоенные территории между заповедниками или национальнымипарками. Постоянный сбор и обновление данных о границах землепользования можетоказать большую помощь при разработке природоохранных, в том числеадминистративных и законодательных мер, отслеживать их исполнение, своевременновносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основебазовых научных экологических принципов и концепций [6].
1.5Восстановлениесреды обитания
ГИС являетсяэффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видоврастительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Еслиустановлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые, например, длясуществования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест дляразмножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды,требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы сподходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования иливосстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадииадаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторингаближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки ихуспешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению [6].
1.6Мониторинг
По мере расширения иуглубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИСстановится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном ирегиональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результатыназемных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и изкосмоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условийжизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственныхцепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствийпредпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельныеее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимостиот меняющихся внешних условий [6].
2. Комплексная оценкаокружающей природной среды
2.1 Базовые основысистемы комплексной оценки окружающей природной среды
Геоинформационнаясистема комплексной оценки, моделирования и прогнозирования состоянияокружающей природной среды (ОПС)а базируется на топографической основе с единойсистемой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихсяхранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программныхмодулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам [1]. Системапозволяет:
· осуществлятьсбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;
· исследоватьдинамику изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени;
· порезультатам анализа строить тематические карты;
· моделироватьприродные процессы в различных средах;
· оцениватьситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.
Часть работ веласьсовместно с Невско-Ладожским бассейновым водным управлением, зона действиякоторого распространяется на Северо-Западный регион и включает Санкт-Петербурги Ленинградскую область, Новгородскую и Псковскую области, республику Карелия иКалининградскую область. Соответственно, вся информация собрана исистематизирована для этого региона. Топографическая основа системы комплекснойоценки служит для визуализации результатов исследований и пространственногоанализа (рис. 1).
/>
Рис. 1.Топооснова системы комплексной оценки.
Основной информационнойединицей топоосновы являются листы цифровых карт масштаба 1:200 000.Топографическая основа представляет собой набор структурированных в видеотдельных слоев данных о местности: реки, озера, дороги, леса, посты контроля ит.д.
База данных системыкомплексной оценки включает:
· базурезультатов контрольных измерений;
· базухарактеристик природных объектов;
· базухарактеристик источников загрязнения;
· нормативнуюбазу.
База контрольныхизмерений является основой системы мониторинга состояния окружающей среды,позволяющей оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе ипредставлять ее на карте [4].
Система позволяетисследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени, в том числе:
· проводитьанализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений(временной анализ);
· получатьнормированные оценки;
· формироватьусредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов(пространственный анализ) и строить тематические карты (рис. 2);
· рассчитыватьинтегральные оценки.
/>
Рис. 2.Пространственный анализ состояния водного объекта.
2.2Функциональныевозможности системы
Единая база природныхобъектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделированияраспространения вредных веществ в воздушной и водной средах с цельюисследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидациипоследствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Моделираспространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитываюттехнологические характеристики предприятий (экологический паспорт),географическое местоположение, метеорологические условия [3].
Реализована модельраспространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемаяОНД-86. Результатом работы модели является поле концентраций, представленное ввиде слоя ГИС (рис. 3).
/>
Рис. 3.Моделирование распространения примеси в воздухе.
Для водотоковреализована модель конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ.Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группыводовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом ихспецифики (рис. 4). Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод вводные объекты. Результатом работы модели также является поле концентраций,импортируемое в ГИС.
/>
Рис. 4.Моделирование распространения примеси в водотоке.
Комплексная оценкасостояния сложных природных объектов строится на основе результатов контроляхарактеристик в различных средах (измерений уровня радиации, концентрациипримеси вредных веществ, площади загрязнения и др.), результатов обследований иэкспертизы, а также результатов моделирования различных ситуаций техногенногоили природного происхождения. Это повышает актуальность задачи объединенияколичественных и качественных характеристик, соблюдения требований единстваизмерений.
2.3Методыполучения комплексной оценки
В созданной системерешена задача объединения разнородных данных для получения комплексных оценоксостояния объектов окружающей природной среды на единой метрологической основе[5]. Разработаны методы построения нормированных шкал с целью объединенияразличных оценок, учитывающие характеристики достоверности и степени участиякаждого фактора. За нормированную шкалу принята шкала с равными отрезками иусловными отношениями: 0-1 – значительно ниже нормы (ЗНН); 1-2 – ниже нормы(НН); 2-3 – норма (Н); 3-4 – выше нормы (ВН); 4-5 – значительно выше нормы(ЗВН).
Для оценки качестврезультатов контрольных измерений используется нормирование относительнопредельно допустимой концентрации (ПДК). Плоскость соответствия нормированныхзначений контрольных измерений и качественных оценок изображена на рис. 5.
/>
Рис. 5.Плоскость соответствия нормированных значений и качественных оценок.
Каждый результатизмерений представляет собой случайную величину, истинное значение которойнаходится в интервале x*=x’± ks [2]. В этом случае принятие того или иногозначения контролируемой величины на нормированной шкале качественных отношенийможет быть определено как вероятность нахождения значения измеряемой величины всоответствующем интервале значений концентраций. Вероятность принятия того илииного значения качества может быть определена как:
Выбор граничныхзначений (Ci) зависит от класса опасности вещества и регионаобследования, что объясняется конкретной экологической обстановкой исуществующей нормативной базой.
В случае, когда дляоценки отдельных объектов ОПС используются сложные характеристики, значениенекоторого обобщенного показателя определяет качественное значениеконтролируемой характеристики. Сложность состоит в том, что качественные шкалыдля разных сред и методик различны. В этом случае задача нормирования сложныхоценок сводится к приведению таких шкал к нормированной [5].
В программной системереализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольныхизмерений, учитывающие существующие стандартные методики для воздушной и воднойсред (рис. 6). Осуществлено приведение различных качественных шкал кнормированной.
/>
Рис. 6.Оценка состояния водной среды.
В силу малочисленностиданных химического анализа часто, наряду с результатами контрольных измерений,используются результаты обследований, опросов и экспертных оценок. Впрограммной системе создан модуль, реализующий получение и обработку экспертныхоценок.
При обработкерезультатов обследований значение каждой величины, также как результатыконтрольных измерений, определяет степень загрязненности объекта и может бытьсвязано с нормированными характеристиками объекта. Результаты обработкиэкспертных оценок суммируются в нормированной шкале. При этом оценка, соответствующаякаждому признаку, должна быть приведена к нормированной характеристике å рk=1.Результаты имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (рис.7).
/>
Рис. 7.Экспертные оценки.
Комплексная оценкасостояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа(результатов контрольных измерений в разных средах, результатов моделирования,обследования и экспертных оценок). При этом задача объединения превращается взадачу суммирования характеристик различных оценок в нормированной качественнойшкале.
Следует учитывать, чтоесли комплексная оценка определяется на основе объединения большого числаоценок, имеющих различное распределение в нормированной шкале, то в результатеобъединения таких оценок велика вероятность получить равномерное распределение,при котором невозможно вынести суждение о качественной оценке состоянияобъекта.
В связи с этимпредлагается использовать следующий метод объединения однотипных оценок. Длякаждой группы оценок, собранных, например, по средам (воздух, вода, почва) илипо виду их получения (контрольные измерения, экспертные оценки, результатымоделирования) следует производить сортировку в соответствии с максимальнымзначением каждого качества и выбирать наиболее критичные оценки. При этом, взависимости от поставленной задачи, алгоритм выбора критических оценок такжеможет быть различным. Например, для оценки аварийной ситуации следует выбиратьпоказатели, у которых максимум оценки принимает значение ЗВН (значительно вышенормы), для обычных условий следует выбирать показатели, имеющие максимум вдиапазоне от Н (норма) до ЗВН.
Сложные оценкисостояния объектов окружающей природной среды могут быть получены путемобъединения разнотипных данных, например, результатов контрольных измерений ивизуального обследования прибрежной территории. При формировании таких оценокнеобходимо учитывать важность каждой используемой характеристики.
Такие оценкипредставляют собой комплексную характеристику, полученную путем суммированияпростых оценок с учетом их свойств в пределах групп воздействия, то есть:
/>
где: * — операторсуммирования, xi* — простая оценка, входящая в множествоважных характеристик Is, pдi — оценка степени доверия и gуi — оценка степени участия xi*.
Степень доверия характеризуетнадежность используемой оценки и зависит от способа ее получения. Степеньучастия определяет вес используемой характеристики при формировании сложнойоценки качества объекта экосистемы. Использование коэффициента участияисключает возможность получения равновероятной характеристики результата вслучае суммирования большого числа характеристик и позволяет эксперту получатьразличные оценки в зависимости от поставленной задачи.
Комплексная оценкасостояния объектов ОПС представляет собой характеристику, полученную путемсуммирования простых и сложных оценок с учетом их свойств
/>
где: * — операторсуммирования, xi* — простая оценка, входящая в множествоважных характеристик I0, Si* — сложная оценка,полученная на основании использования стандартных методик объединенияоднотипных данных или согласно формуле (2) для данных разного типа.
Информационная средаполучения комплексной оценки обеспечивает объединение и использованиераспределенной информации, а ГИС технология – ее обработку в соответствии сгеографической или административной привязкой (рис. 8).
/>
Рис. 8.Информационная среда получения комплексной оценки.
Для формированиясложных оценок на основании однотипных данных выбирается соответствующий слой(с необходимым районом и параметрами) и осуществляется обработка данных всоответствии со стандартными методиками. В случае, когда сложная оценкаполучается при суммировании данных разного типа, формируется проект изнескольких слоев. Каждому слою назначается коэффициент участия и формируютсясложные оценки. Получаемые сложные оценки также являются слоем ГИС. Путемформирования проектов из простых и сложных оценок, а также результатовмоделирования, могут быть получены оценки по средам (воздух, вода, почва ит.д.), которые также являются слоями ГИС. Объединив в единый проект оценки посредам, мы получим комплексную оценку состояния объекта на основанииразнородных данных.
3. ИспользованиеГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовойотрасли
Осознавая потенциальнуюэкологическую опасность предприятий нефтегазового комплекса, в частностироссийские нефтяные компании провозгласили в качестве одного из приоритетовсохранение экологического равновесия в зонах деятельности своих предприятий.Однако для реального улучшения экологического состояния на территориидеятельности нефтегазового комплекса (НГК) требуются громадные инвестиции втехнологический комплекс нефтедобычи, в первую очередь, для внедренияприродоохранных технологий. В связи с этим для оптимизации экономических затратпредприятий НГК могут быть успешно применены современные средствагеоинформационных технологий. Ниже излагается опыт, накопленный в Томскомнаучном центре СО РАН в разработке и использовании ГИС для компьютерного выбораэкологически приемлемых природоохранных технологий на основе анализа состоянияокружающей среды [6].
Разработанная ГИСвключает следующие компоненты:
· базаданных об экологическом состоянии,
· базаданных о природоохранных технологиях,
· комплекспрограммных средств анализа состояния территории и выбора природоохранныхтехнологий.
Задача комплексногоанализа состояния окружающей природной среды и выбора на основе этого анализаприродоохранных технологий направлена на достижение нормативного качестваприродной среды. Программный комплекс анализа состояния окружающей средыпозволяет выявлять территориальные зоны загрязнения и прогнозировать динамикуизменения границ этих зон на основе анализа сценариев экономического развитияпредприятий. Результаты расчетов зон загрязнения воздуха наглядноиллюстрируются на компьютерных картах (рис.9) с помощью средств ГИС. При этомдля расчета величин приземной концентрации вредных веществ в атмосферномвоздухе, содержащихся в выбросах предприятий, использована известная методикаОНД-86. Расчет производится для наиболее неблагоприятных метеорологическихусловий. Исходными данными для прогноза загрязнения атмосферы и определения зонповышенного загрязнения служили экологические паспорта предприятий и другиеинформационные материалы природоохранных органов [6].
/>
Рис.9. Прогнозувеличения площади зоны загрязнения воздуха от сжигания попутного газа вфакелах с ростом объемов добычи.
Разработанные средства ГИС — технологий позволяют достигать нормативногокачества природной среды на территории деятельности нефтегазового комплекса спомощью моделирования изменений в ее состоянии за счет применения современныхприродоохранных технологий, выбираемых из базы данных ГИС. Следовательно,применение ГИС-технологий позволяет выбирать экологически приемлемые иэкономически целесообразные природоохранные технологии на основе комплексногоанализа загрязнения воды, воздуха и почвы. Ниже (рис.10) приведен примеркомпьютерного моделирования, который иллюстрирует возможность выбора из базыданных ГИС подходящих технологий очистки сточных вод с целью улучшения качестваречной воды на территории нефтяных месторождений [6].
/>
Рис.10. Исходноесостояние загрязнения рек на территории нефтяных месторождений сбросами сточныхвод.
Перспективы расширенного примененияГИС- технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды внефтегазовой отрасли связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшениюэкологического состояния территории на основе использования аэрокосмическойинформации.
Заключение
Таким образом можносмело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики,которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целейобработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такойзадачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования вповседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собратьвоедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную междусобой информацию, получить основанный на массовом фактическом материалеобобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализироватьвзаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в немпроцессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающейсреды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.
Разработанная на базеArcGIS ArcInfo 9.1 геоинформационная система комплексной оценки, моделированияи прогнозирования служит основой для построения многоуровневыхинформационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована припроектировании территорий и для принятия управляющих решений по охранеокружающей среды и рациональному природопользованию.
Перспективы расширенного примененияГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды вразличных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологическогосостояния территории на основе использования информации полученной с помощьюсовременных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.
Литература
1.Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состоянияОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.
2.Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Кулагин В.П., Куракина Н.И. Оценка качествасложных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежностьи качество 2003». — Пенза 2003.
3.Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространениязагрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал «Информационныетехнологии моделирования и управления», №5(23), Воронеж, 2005.
4.Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная системамониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журналArcReview.-2006.-№1(36).
5.Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Вопросы обеспечения единстваизмерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международногосимпозиума «Надежность и качество 2005». — Пенза 2005.
6.Издание Дата+ ArcReview. — www.dataplus.ru.