Общие аспекты контроля, охраны и восстановления качества воды

Использование ГИС-технологий при изучении биологических и
технических дисциплин экологического профиля
к.б.н. Соколова И. В.,
ФГОУ ВПО «Орловский государственный институт экономики и торговли»,
доцент;
к.т.н. Алфеева Е.Л.,
ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»,
доцент, elalfeeva@rambler.ru
Аннотация:
Данная статья посвящена вопросам формирования содержания
образования на основе применения ГИС-технологий в биологических и
технических дисциплинах.
При подготовке в вузах творчески мыслящих высокопрофессиональных
молодых специалистов в настоящее время особое внимание уделяется
использованию в учебно-научном процессе новейших методов обучения и
технических средств, особенно вычислительной техники. Информатизация
образования способствует постоянному обновлению учебной деятельности
методологией и практикой разработки оптимального использования новых
информационных образовательных ресурсов при изучении ряда дисциплин, в
том числе в области безопасности жизнедеятельности, охраны труда и
экологии.
Научные и практические разработки по этим актуальным проблемам в
виду их комплексности и междисциплинарного характера требуют
привлечения огромного числа различных данных, передового отечественного
и зарубежного опыта использования информационных ресурсов. Применение
современных компьютерных технологий позволяет получать достоверную
оперативную информацию, проводить моделирование уровня техногенных
нагрузок на различные компоненты окружающей среды и человека, делать
экспериментальные и прогнозные оценки для принятия оптимальных
управленческих решений. Поэтому создание новых и интеграция уже
имеющихся баз данных и других программных продуктов, разработка и
практическая реализация современной геоинформационной системы, как
важнейшей составляющей обеспечения различных видов мониторинга
состояния окружающей среды, позволит решить комплекс задач
долгосрочного управления экологией и безопасностью жизнедеятельности на
загрязнённой территории с целью принятия соответствующих превентивных
мер.
Для решения поставленных задач необходим системный подход, который
требует использования больших объемов экологической, картографической и
другой количественной информации о состоянии компонентов окружающей
человека среды, что практически невозможно без применения развитых
методов и средств информатики. Наиболее перспективными методами
обработки и усвоения подобных объёмов информации, на сегодняшний день,
являются методы, основанные на использовании компьютерных
геоинформационных технологий. Использование геоинформационных
систем (ГИС), позволяющих проводить одновременный анализ многомерных
данных с использованием цифровых карт, упрощает процедуры
экологического прогноза и оценку комплексного воздействия факторов на
окружающую среду, делает возможным оперативное выявление аномалий и
принятие необходимых мер для их устранения.
Задачи математического моделирования процессов, происходящих в
окружающей среде, требуют визуализации расчетных данных. Современные
информационные системы, в частности ГИС, позволяют эту визуализацию
осуществить, причем обмен данными между моделями и ГИС может быть
двунаправлен. Начальные условия для модели, в частности координаты
объектов, могут быть получены из ГИС – систем. В свою очередь, ГИС –
системы отображают результаты моделирования.
И хотя накоплен опыт в области связывания математической модели с
геоинформационной системой, и такие разработки уже достаточно широко
распространены, однако существует необходимость в разработке
инструмента для связывания моделей и ГИС, обладающего расширяемостью,
то есть не привязанного к конкретной модели или конкретной
географической области.
Очень важно разработать универсальный интерфейс для обмена
данными между математическими моделями и ГИС. Разработав такой
интерфейс, его можно использовать для обмена данными с любой моделью.
Для обеспечения взаимодействия между моделями и ГИС средствами
упомянутого интерфейса, необходимо промежуточное звено – компьютерное
приложение. Приложение должно иметь возможность работать с данными,
хранящимися в геоинформационной системе. Последние версии ГИС
ARC/INFO предоставляют такую возможность. Они используют технологию
Открытой Среды Разработки, позволяющую программисту внедрять
компоненты ГИС в свои приложения, которые могут создаваться в любой
современной среде разработки.
ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и
анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей
планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с
базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с
преимуществами
полноценной
визуализации
и
географического
(пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности
отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают
уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач,
связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира.
Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно
новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более
соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый
подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в
целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она
автоматизирует процедуру анализа и прогноза.
Среди источников, широко используемых в геоинформатике, наиболее
часто привлекаются картографические, статистические и аэрокосмические
материалы. Помимо указанных материалов гораздо реже используются
данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также
текстовые источники. Использование географических карт как источников
исходных данных для формирования тематических структур баз данных
удобно и эффективно по ряду причин. Прежде всего, сведения, считанные с
карт, имеют четкую территориальную привязку, во-вторых, в них нет
пропусков, «белых пятен» в пределах изображаемой территории и, в-третьих,
они в любой своей форме возможны для записи на компьютерные носители
информации.
Картографические
источники
отличаются
большим
разнообразием — кроме общегеографических и топографических карт
насчитываются и достаточно много типов различных тематических карт.
Методики работы с геоинформацией и создания карт изучаемых
объектов
окружающей
среды
(например,
поверхностных
вод)
отрабатываются на примере Орловской области.
Для
проведения
исследований
по
Орловской
области
в
геоинформационной системе
ArcView v3.0 реализована многослойная
электронная карта области (базовый масштаб 1:500000) и связанные с ней
базы данных в формате DBF, соответствующие определенным слоям карты.
Были отсканированы общегеографическая карта Орловской области и
карта административно-территориального деления. Векторизация слоев
производилась в программном комплексе АutoCAD Map. Оцифрованы
следующие слои: границы области и административных районов, населенные
пункты, гидрография (реки и озера), леса, автомобильные и железные дороги.
Каждый слой экспортировался в ArcInfo для удаления ошибок,
идентификации электронной карты, создания покрытий (линейных, точечных
и полигональных) и построения топологии (установления связи между
графикой и таблицами данных). Далее карта экспортировалась в
Геоинформационной системе (ГИС) ArcView, создавалась база данных и
Shape-файлы для редактирования. Для полноты отображения необходима
информация о химическом и радиологическом состоянии поверхностных вод
Орловской области.
Изучение химического состава поверхностных вод суши Орловской
области проводятся комплексной лабораторией по мониторингу окружающей
природной среды (КЛМС) в соответствии с планом работы группы
гидрохимии и графиком отбора проб и определения расходов поверхностных
вод. В бассейне реки Ока изучение химического состава поверхностных вод
осуществлялось на 6 водных объектах, в 5 пунктах: р. Ока (г. Орел), р. Крома
(п. Кромы), р. Орлик (г. Орел), р. Зуша (г. Мценск), р. Неручь (д. Орловка), р.
Нугрь (г. Болхов) в 9 створах. Река Ока на территории города Орла с 1987
года относится к третьей категории пункта контроля. Целью осуществления
контроля является получение информации о качестве воды реки Ока в районе
города Орла с организованным сбросом сточных
вод. Для каждого
конкретного вещества существует методика выполнения измерений, которая
разрабатывается Гидрохимическим институтом и затем проходит
аттестацию. Например, в соответствии с ГОСТ 27384 норма погрешности при
выполнении измерений нитратного азота в природных водах в диапазоне
массовых концентраций от 0,01 до 0,1 мг/л составляет 25%, свыше 0,1 до 3,0
мг/л— 20%, свыше 3,0 мг/л— 15%. Установленные для настоящей методики
значения характеристик погрешности и ее составляющих приведены в
таблице 1.
Таблица 1. Значения характеристик погрешности и ее составляющих при
выполнении измерений массовой концентрации нитратного азота (P=0,95)
Диапазон измерения Характеристики
составляющих Характеристика
концентраций нитрат- погрешности, мг/л
погрешности,
ного азота С, мг/л
Случайной
Систематической мг/л
0,010 – 0,080
0,002+0,12С 0,001+0,20С
0,004+0,24С
0,080 – 0,300
0,003+0,11С 0,001+0,05С
0,004+0,24С
Для построения комплексной модели загрязнения поверхностных вод в
результате организованного сброса сточных вод и ливневого стока
необходима информация о состоянии и составе почв. С 1995 года силами
отдела контроля почв ОФ «СИАК по ЦР» проводится работа по измерению
фоновых концентраций тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr) в
почвах Орловской области. В 2003 году в порядке осуществления
Госсанэпиднадзора
за
охраной
почв
учреждениями
санитарноэпидемиологической службы области на санитарно-химические показатели
была отобрана 261 проба и 340 проб почвы на микробиологические
показатели.
Для получения количественных характеристик реки, таких как
минимальный и максимальный среднемесячный расход воды, скорость
течения, ширина, коэффициент извилистости и другие на реке Ока
расположены два гидрологических поста ГП «Вендерово» и ГП
«Костомарово». На остальных реках - по одному. Характеристика рек
приведена в таблице 2.
Таблица 2. Характеристика рек Орловского региона
р.Ока
р.Ока
р.Орлик р.Зуша р.Нугрь
Костомарово Вендерово
Категория
III
III
III
III
IV
Минимальный
среднемесячный
1,96
0,3
0,27
7,1
0,6
3
расход воды (м /с)
Средняя
скорость
течения (м/с)
Средняя глубина (м)
Ширина (м)
Коэффициент
извилистости (м)
0,14
0,11
0,03
0,14
0,15
0,65
20
1,1
0,5
5
1,1
0,6
15
1,11
1
50
1,1
0,35
11
1,05
Изучение химического состава поверхностных вод бассейна реки Днепр
осуществлялось на 1 водном объекте в 1 пункте (река Нерусса – город
Дмитровск-Орловский) в 2 створах.
Программа наблюдений на каждом пункте контроля должна учитывать
местные особенности процесса загрязнения контролируемого участка
водотока, включая обязательное определение таких элементов качества воды,
как температура, содержание взвешенных веществ, минерализация,
содержание растворенного кислорода, БПК, плавающие примеси, запахи,
патогенные микроорганизмы и дополнительные специфические для данного
объекта. Программа наблюдений должна быть дифференцирована с учетом
значимости водного объекта.
На реке Ока определение качества поверхностных вод в пункте
контроля проводятся ежемесячно по сокращенной программе и в основные
гидрологические фазы 7 раз в год.
Ежемесячно анализ качества воды проводится по сокращенной
программе,
которая
предусматривает
определение
характерных
загрязняющих веществ: аммиак, нитриты, железо общее, медь, цинк, никель,
нефтепродукты, СПАВ, фенолы, хром общий, взвешенные вещества.
Несмотря на то, что с момента Чернобыльской катастрофы прошло уже
25 лет, одной из важнейших экологических проблем региона по-прежнему
является радиоактивное загрязнение объектов природной среды и, в
частности, поверхностных вод, а также дальнейшее совершенствование
комплекса мер по смягчению последствий аварии. Использование банка
радиологических данных, ГИС и призвано решать поставленные в этой
области задачи.
В настоящее время ведется работа по составлению экологических карт
Орловской области. Необходимо отметить, что качество экологических карт
зависит в значительной мере не только от самого процесса создания карты,
но от состояния геоинформационного обеспечения решения экологических
проблем. Полнота, достоверность, точность и надежность освещают разные
стороны качества карты. Можно выделить два основных комплекса причин
низкого качества экологических карт: методические и метрологические,
причем в первую группу относятся все проблемы содержательного свойства,
а во вторую — преимущественно точность и обоснованность
территориальной привязки информации.
Оценивая перспективы картографического обеспечения регионального
уровня в свете развития эколого-географического картографирования, можно
ожидать следующие тенденции. Будет значительно увеличиваться доля
оценочных и прогнозных карт, поскольку децентрализация и ориентация на
усиление рыночных отношений повысят неопределенность развития и важность отслеживания меняющихся возможностей. В самом скором времени
должны появиться ретроспективные типы картографических произведений
для регионов, ибо только с их помощью возможно надежное установление
динамики и особенностей развития территории. Количество фактологических
карт будет расти, прежде всего, за счет карт состояния экосистем и
биоресурсов, а также карт антропогенных и техногенных воздействий на
территорию.
Участие студентов в этой работе затрагивает все аспекты данного
направления: сбор первичного материала по рассматриваемому региону, его
обработка и географическое кодирование в ГИС полученных результатов, их
анализ и составление прогнозов, выработка рекомендаций и их реализация.
Материалы данной работы используются студентами в учебном
процессе
при
изучении
дисциплин
«Экология»,
«Безопасность
жизнедеятельности», «Основы безопасности труда» и др.
Литература
1. Плетнева Л.А., Плетнев А.Л., Соколова И.В. Применение
геоинформационных систем для анализа экологического состояния
поверхностных вод территории Орловской области// Педагогическая
информатика. Специальный выпуск.- 2006.- № 5'.- С.79-83.