Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка и оптимизация системы мониторинга территории в районе Кирово-Чепецкого химического комбината

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка и оптимизация системы мониторинга территории в районе Кирово-Чепецкого химического комбината"

На правах рукописи

005045304

АДАМОВИЧ ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИИ В РАЙОНЕ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

- 7 йЮН 2012

Ростов-на-Дону 2012

005045304

Работа выполнена на кафедре экологии ФГБОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Вятского

государственного гуманитарного университета Лшихмина Тамара Яковлевна

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Южного федерального университета Беспалова Людмила Александровна

доктор географических наук, профессор Френкель Марат Ошерович

Ведущая организация: Институт географии Российской Академии Наук

Защита диссертации состоится 21 июня 2012 г. в 12-00 час. На заседании диссертационного совета Д 212.208.12 при ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географичсский факультет, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ФГАО'У ВПО «Южный федеральный университет» по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «^У» _2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук Т.А.Смагина

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. На территории Кировской области более 60 лет действует «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б. П. Константинова» (КЧХК), являющийся одним из крупнейших промышленных предприятий России по производству фторполимеров и минеральных удобрений. За годы деятельности промышленных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, природный комплекс в районе его эксплуатации под воздействием техногенного загрязнения сильно преобразован и представляет собой нарушенную природно-техногенную систему, сформировавшуюся вследствие сброса стоков предприятий, воздействия выбросов, складирования отходов производства, нарушения ландшафта при строительстве и эксплуатации объектов. На территории комбината находятся шламонакопители и хвостохранилища, содержащие большое количество токсичных, ртутьсодержащих, радиоактивных отходов. Хранилища отходов производства расположены в 1,5 км от селитебной зоны г. Кирово-Чепецка, в зоне санитарной охраны водозабора областного центра города Кирова с населением более 500 тыс. человек. За годы производственной деятельности всего комплекса предприятий КЧХК существенно возросли площади антропогенно нарушенных земель, водных и биологических экосистем.

Система производственного экологического контроля химического состава сточных, поверхностных и подземных вод, ливневых стоков, промышленных выбросов на объектах КЧХК осуществляется на постоянной основе. Однако комплексного изучения техногенного загрязнения природных сред и объектов на такой сложной территории, в районе крупного химического комбината с его прошлым радиоактивным наследием, расположенной в пойме реки Вятки - основного питьевого источника населения региона, не проводилось. Экологический мониторинг компонентов природной среды, включающий оценку изменения ландшафтов, водных, почвенных экосистем, растительных и животных объектов на данной территории не осуществляется.

Всё это обусловливает актуальность и необходимость проведения работ по изучению экологического состояния территории в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, с использованием не только наземных методов исследований, но и современных геоинформационных и аэрокосмических технологий, позволяющих в динамике оценить происходящие изменения, провести геоэкологическую оценку и сделать прогноз развития экологической ситуации на данной территории.

Кроме того, разработанные в диссертационном исследовании программные продукты, материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса в районе исследования, рекомендации по организации системы геоэкологического мониторинга являются актуальными и могут быть использованы для совершенствования экологического мониторинга и при проведении мероприятий по реабилитации территорий, загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.

Цель работы. Геоэкологическая оценка состояния природных и природно-техногенных систем в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса с применением современных методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картирования, ГИС-технологий с целью оптимизации системы экологического мониторинга исследуемой территории.

Задачи:

1. Обоснование и выбор приоритетных показателей, методов и технологий для геоэкологической оценки природно-техногенных систем в районе исследования.

2. Апробация методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картографирования, ГИС-технологий в геоэкологической оценке природного комплекса в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.

3. Выявление сезонной и многолетней динамики состояния природного комплекса в условиях техногенного загрязнения и геоэкологическая оценка исследуемой территории.

4. Разработка утилит для предварительной подготовки данных дистанционного зондирования с дальнейшей тематической обработкой и использованием программных средств: ENVI 4.5, Mapinfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.

5. Разработка рекомендаций по созданию системы геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе КЧХК с использованием методов аэрокосмического мониторинга и ГИС-технологий.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются природные и природно-техногенные системы в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса. Предмет исследования - геоэкологическая оценка и мониторинг территории в зоне влияния объектов Кирово-Чепецкого химического комбината с использованием аэрокосмических методов.

Методы исследования. В проведении работ по геоэкологической оценке природных и природно-техногенных систем использованы методы наземных исследований, дешифрирования материалов аэрокосмических съемок, автоматизированной обработки данных и геоинформационного картографирования результатов исследования, программирования, методы сравнительно-географического и пространственного анализа, физико-химические и биологические методы. В качестве программного обеспечения для обработки данных использовались пакеты программ ENVI 4.5, Mapinfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.

Обоснованность и достоверность полученных результатов в геоэкологической оценке территории обеспечивалась применением традиционных классических и аэрокосмических методов, ГИС-технологий, единством подходов к сбору, обработке, анализу и картографированию данных, а также использованием представительных результатов наземных и аэрокосмических исследований.

Научная новизна диссертаиионного исследования

1. Создан банк многолетних (за период с 1973 по 2008 гг.) данных спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведена обработка разновременных разномасштабных космических снимков. Выявлена высокая эффективность аэрокосмических, информационных методов, позволяющих одномоментно провести геоэкологическую оценку всего комплекса, в том числе труднодоступных участков, за большой промежуток времени и сравнить состояние природно-техногенных систем. Разработана новая программа Geofit, которая расширяет функциональные возможности используемых программных продуктов.

2. Впервые построены оценочные карты сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса, индекса влагосодержания, динамики русловых процессов, изменения ландшафта в процессе строительства и эксплуатации объектов КЧХК с использованием данных ДЗЗ и современных ГИС-технологий с целью выявления изменений экосистем, прогноза развития опасных природных и природно-техногенных процессов. Предложен новый Нормализованный разностный цианобактериальный индекс для оценки экологического состояния водоемов с использованием методов дистанционного зондирования Земли.

3. Впервые проведена геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, выявлены ареалы химического, радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. По данным тематических карт природных сред и объектов построена комплексная карта техногенного загрязнения природных сред и объектов в районе КЧХК.

4. Разработан модуль системы геоэкологического мониторинга природно-техногенного комплекса в районе КЧХК с использованием аэрокосмических методов и ГИС-технологий, который может быть положен в основу разработки программы и создания системы комплексного экологического мониторинга исследуемой территории.

Практическая значимость работы заключается в том, что материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса могут быть использованы при проведении мероприятий по реабилитации территорий и водных объектов, химически и радиационно загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.

Апробированные в ходе диссертационного исследования методы дистанционного зондирования, геоэкологического картирования, разработанные компьютерные программы, структурно-функциональная схема системы геоэкологического мониторинга могут стать основой при разработке программы и создании системы комплексного экологического мониторинга р. Вятки - основного источника водоснабжения областного центра г. Кирова — и природно-техногенного комплекса в районе КЧХК.

Разработанный новый метод оценки степени техногенного загрязнения водоемов с использованием данных ДЗЗ является информативным и рекомендуется в системах экологического мониторинга водных объектов.

Технология выявления зон аккумуляции, размыва, подтопления, смещения русла, изменения площади обводненных территорий на основе данных ДЗЗ позволяет делать прогнозы скорости размыва берегов, выявлять зоны подтопления, что крайне необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации объектов, расположенных в прибрежной зоне.

Разработанный спецкурс "Аэрокосмические методы и технологии геоэкологического картирования в оценке состояния природных и природно-техногенных систем" реализуется в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению Экология; магистров и бакалавров по направлению 020.800.68 - Экология и природопользование; магистров по направлению подготовки 020100.68 - Химия.

Апробаиия работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на Всерос. науч.-практич. конференции с международным участием «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (г. Киров, 2008, 2009, 2010, 2011), Всерос. науч.-практич. конференции молодёжи «Экология родного края - проблемы и пути их решения» (г. Киров, 2009, 2010, 2011), Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, Республика Коми, Россия, 2009), IV Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. уч. «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009, 2011), 2-й Всерос. науч.-практич. конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2010), IV Международ, науч. конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород 2010), XVII Междунар. науч.-технич. симпозиуме «Геоинформационный мониторинг окружающей среды: GPS и GIS — технологии» (Украина, Алушта, 2011), Ш-Международ. науч.-практич. конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011), Международ, студенческой науч. конференции «Знания молодых - новому веку» (Киров, Вятская ГСХА, 2011) , Всерос. конференции с международным участием «Экоаналитика - 2011» (Архангельск, 2011).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии его в полевых исследованиях, в отборе проб (более 400), в описании типов ландшафтов, фитоценозов, радиометрической съемке, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, расчете вегетационных индексов, разработке нового индекса оценки степени загрязнения водоемов (Normalized Difference Cyanobacterial Index), дешифрировании и обработке космических снимков (10 космических снимков с разных спутников с различным разрешением за период 35 лет), картировании ареалов химического загрязнения природных сред (более 20 карт), геоэкологической оценке и прогнозе влияния производственной деятельности Кирово-Чепецкого промышленного

комплекса, разработке компьютерных программ (программа Оеой1), расширяющих функциональные возможности используемых программных продуктов, создании банка многолетних данных спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведении обработки разновременных разномасштабных космических снимков, построении карт сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса в условиях техногенного загрязнения (более 50 карт), выявлении различия тенденций динамики техногенно нагруженной и фоновой территории, разработке спецкурса "Аэрокосмические методы и технологии геоэкологического картирования в оценке состояния природных и техногенных систем".

Закономерности миграции специфических загрязнителей в системе вода - донные отложения были выявлены при выполнении работ автором исследования в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-7588.2010.5 «Миграция и распределение радионуклидов и поллютантов в компонентах природной среды в зоне влияния промышленного предприятия (на примере Кирово-Чепецкого химического комбината)», (2010-2011 гг.).

Соответствие диссертации паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует специальности 25.00.36 "Геоэкология", поскольку геоэкологическая оценка природного комплекса в условиях техногенного загрязнения крупных промышленных объектов, геоэкологическое картирование, моделирование, ГИС-технологии и базы данных входят в круг задач геоэкологии. Проведены исследования по следующим областям в отрасли "Науки о Земле":

1) п. 1.8. - "Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека: химическое и радиоактивное загрязнение почв, поверхностных вод ..." Выявлены ареалы химического и радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. Показано, что геоиндикаторами процессов размыва являются различия положения береговой линии реки Вятки, выявленные на основе данных ДЗЗ за различные годы съемки.

2) п. 1.11 - "Геоэкологические аспекты функционирования природно-техногенных систем". Проведены исследования по оценке многолетней (35 лет) динамики природного комплекса в районе КЧХК и выявлены изменения структуры природно-техногенных систем вследствие строительства крупнейшего химического предприятия — Завода минеральных удобрений КЧХК. Доказана высокая эффективность аэрокосмических методов в геоэкологической оценке природно-техногенных систем.

3) п. 1.12, п.1.13 - "Геоэкологический мониторинг...."Динамика и закономерности развития опасных природных и природно-техногенных процессов, оценка опасности и риска...". Разработана структура системы геоэкологического мониторинга, включающая информативные показатели, современные методы и технологии с использованием методов аэрокосмического мониторинга, математической и статистической обработки результатов, моделирования и ГИС-технологий. Выявлены геоиндикаторы развития опасных природных и природно-техногенных процессов размыва берегов, смещения русла реки, подтопления, изменения площади обводненной территории.

4) п. 1.17 — "Геоэкологическая оценка территорий: современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии..." Проведена геоэкологическая оценка состояния природного комплекса в районе КЧХК, построены оценочные карты сезонной и многолетней динамики, выявлены ареалы техногенного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. С использованием методов геоэкологического картирования, дистанционного зондирования разработаны метод оценки степени техногенного загрязнения водоемов, компьютерная программа Сео/г/, расширяющая функциональные возможности используемых программных продуктов.

Основные результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Выявлена динамика природно-техногенных систем в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса по материалам космической съемки за 35 лет, которая проявляется в увеличении площадей промышленных зон, техногенно-нарушенных территорий и значительном уменьшении территорий, занятых лесными и луговыми фитоценозами.

2. Оценочные карты сезонной и многолетней динамики распределения значений вегетационного индекса, индекса влагосодержания, цианобактериального индекса, построенные на основе данных ДЗЗ, позволили выявить тенденции к ухудшению состояния растительности в районе исследования, проявляющиеся в снижении значений ЫШП, усыхании хвойных лесов, и определить степень загрязнения водных объектов.

3. Разработана и оптимизирована структура системы геоэкологического мониторинга на территории в районе КЧХК, включающая информативные показатели, современные методы и технолог™. Разработан новый метод оценки характера "цветения" водоемов и степени их техногенного загрязнения, создана компьютерная программа Оеой1, улучшающая качество и расширяющая функциональные возможности используемых программных продуктов.

4. Апробированные в ходе диссертационного исследования аэрокосмические методы, ГИС-технологии, методы моделирования, математической и статистической обработки результатов исследования позволили с высокой степенью достоверности выявить степень загрязнения природного комплекса и ареалы химического и радиационного загрязнения компонентов природно-техногенных систем, динамику изменения ландштафтов, русловых процессов реки Вятки в районе исследования, и могут быть рекомендованы для геоэкологической оценки и оптимизации системы экологического мониторинга техногенно-нарушенных территорий.

Публикаиии. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе 7 работ из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы 175 страниц машинописного текста и Приложение. Диссертация содержит 24 таблицы, 48 рисунков. Список литературы состоит из 145 наименований, в том числе 11 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель, задачи, научная новизна, практическая значимость работы и основные результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе отмечено, что Кировская область является типичным регионом Центральной России, средний уровень антропогенного давления относительно невысок и часть её территорий относится по ряду показателей к фоновым. В то же время ряд урбанизированных территорий региона, к примеру, г. Кирово-Чепецк с его промышленной инфраструктурой, проявляют себя как очаги экологической напряжённости.

Описаны физико-географическая характеристика природного комплекса района исследования (географическое положение, геоморфология и геологическое строение, климат, гидрография, растительный и животный мир). Дана характеристика Кирово-Чепецкого промышленного комплекса, отмечены экологические проблемы, связанные с его деятельностью. В течение длительного времени Кирово-Чепецкий химический комбинат являлся в нашей стране одним из ведущих предприятий ядерного комплекса, в дальнейшем он стал лидером по выпуску фторполимеров и минеральных удобрений. В процессе деятельности такого крупного химического предприятия природный комплекс в районе его эксплуатации сильно трансформирован. В природном комплексе накоплено большое количество химических и радиоактивных отходов, созданы полигоны хранения

отходов, шламохранилища, карьеры-отстойники. Изменилось русло реки, протекающей вблизи промышленных объектов, водные объекты и озёра загрязнены, в паводковый период происходит затопление поймы, вследствие чего загрязняющие вещества с паводковыми водами поступают в реку Вятку, ниже по течению, которой расположена

станция водоснабжения

областного центра (рис. 1).

Рис. 1. Обзорная схема участка исследования в районе расположения объектов

Кирово- Чепецкого химического комбината В пробах воды, донных отложений и почв проявляется повышенное содержание тяжелых металлов, радионуклидов (уран-238, цезий-137,

стронций-90), нитратов,

аммония и др. На основе изученного материала сделан вывод о том, что воздействие объектов Кирово-Чепецкого химического комбината на природный комплекс продолжается. Производственный контроль за выбросами, сбросами, ливневыми стоками и отходами проводится экологическими службами предприятий. Эпизодически выполняются работы по изучению радиационного загрязнения природных сред в местах хранения радиоактивных отходов. Однако состояние почвенных, водных, лесных и луговых экосистем в районе с высоким техногенным воздействием не изучалось; до настоящего времени для такой сложной, антропогенно нагруженной территории не разработана программа государственного экологического мониторинга, не проведена геоэкологическая оценка природного комплекса. В то время, как сложившаяся техногенная ситуация в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса требует детального анализа состояния атмосферного воздуха, поверхностных, подземных вод, геохимических параметров геологической среды, исследование состояния почв, растительных и животных объектов. Учитывая то, что основные реки Вятка и Чепца обеспечивают питьевой ресурс городов Кирова и Кирово-Чепецка, необходимы комплексные оценки возможного содержания ЗВ в природных компонентах и изучение их влияния на экосистемы и здоровье человека.

Для репрезентативного мониторинга исследуемой территории необходимо проведение как дополнительных обследований природного комплекса с использованием современных методов геоэкологического мониторинга, ГИС-технологий, так и выбора информативных показателей контроля и мониторинга природных сред и объектов. Проведение мониторинговых исследований необходимо не только для геоэкологической оценки состояния природного комплекса, выявления степени возможного влияния загрязнённых объектов на природные среды, но и при разработке прогноза экологической ситуации и обосновании стратегии реабилитационных мероприятий.

Во второй главе описаны и обоснованы приоритетные методы и технологии геоэкологической оценки и мониторинга природного комплекса исследуемой территории. Показана высокая эффективность аэрокосмических методов и ГИС-технологий в геоэкологической оценке природно-техногенных систем.

В третьей главе представлен материал по геоэкологической оценке состояния природной среды в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса, выявлены ареалы техногенного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности с использованием методов геоэкологического картирования,

¡7 ' / .

</' \ .оч

' \ "Л ^ . гп.°от..„т и —

—- > —Л

.г, . Ч «^«.«ЗЬ* V \ V

\ I.

'■Х-.-' .

н-^йл; V\/ а

| ^ Ь-л

' >¿1 льньм.удобг—""" ь

> ч <| . .........

- ■„ \ > ■ |МинерАльнь«-удобрении-11 Л-"-'«. г• / Л

дистанционного зондирования, разработана компьютерная программа Оеой1, расширяющая функциональные возможности используемых программных продуктов. Построены карты сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса, индекса влагосодержания, цианобактериального индекса в условиях техногенного загрязнения, динамики природно-техногенных систем, динамики русловых процессов р. Вятки в районе исследования.

В рамках выполнения диссертационного исследования проведено картографирование на основе комплексных показателей, учитывающих загрязнение несколькими ингредиентами: индекс загрязнения воды (ИЗВ), суммарный показатель загрязнения почв и донных отложений (Геоэкологическое картографирование, 2009). Информационной базой для создания карт оценки загрязнения окружающей среды явились результаты сопряженного отбора проб из различных компонентов окружающей среды - почв, донных отложений, поверхностных вод, снегового покрова, растительности (рис. 2).

Т. ' '. /■.■ .. йИ-1 г- ■'.'

/ - ' V * 4/ VI « В •• ,

Рис. 2. Схема расположения участков отбора проб на территории в районе КЧХК Приоритетными загрязнителями природного комплекса в районе Кирово-Чепецкого химического комбината являются: радионуклиды (уран, стронций, цезий, торий, плутоний),

тяжелые металлы

(свинец, цинк, кадий, марганец, ртуть, никель, медь, железо), соединения азота (нитратная, нитритная и аммонийная формы).

Участки отбора проб в районе КЧХК

• Почвы

• Снеговой покров

• Вода, донные отложения

зд полимеров

/

Рис. 3 Загрязнение почв в зоне влияния Кирово- Чепецкого химического комбината

Выявлены ареалы

повышенного радиоактивного и химического загрязнения почв, расположенные в северозападном направлении от ЗМУ и в северном и юго-восточном направлении от Завода полимеров, что сопоставимо с розой ветров данной

территории, (рис. 3).

Проведено ранжирование водных объектов изучаемой территории согласно степени их

(рис. 4а). Наиболее загрязненными водными объектами являются р. Елховка

Индекс суммарного загрязнения почв Zc

■■ 1-е ■■ 6-12 НЯ 12-18 □ "-24 — 24-30 ■■ 30-36

в среднем течении и оз. Бобровое (критический уровень загрязнения). Выявлены ареалы радиационного загрязнения донных отложений (рис. 46), которые располагаются по течению р. Елховка: вблизи секций хранения отходов КЧХК и в нижнем течении реки. Наиболее загрязненными тяжелыми металлами можно считать донные отложения р. Елховка, при этом основной вклад в загрязнение вносят соединения ртути (Скугорева, 2010). Значения суммарного коэффициента загрязнения на данных участках позволяют отнести их к участкам с чрезвычайно опасной степенью загрязнения.

г. Кирово-Чепецк

Завод полимеров

а) б)

Рис. 4. а) уровень загрязнения водных объектов на территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината, б) схема распространения ареалов загрязнения донных отложений водных объектов в районе Кирово-Чепецкого химкомбината Таким образом, по всей совокупности результатов исследования составлена комплексная карта загрязнения природных сред и объектов в районе размещения предприятий Кирово-Чепецкого промышленного комплекса. На ней обозначены ареалы химического загрязнения почв по суммарному индексу загрязнения, уровни минерализации грунтовых вод (мг/л), мощности эквивалентной дозы гамма-излучения, ранжирование водных объектов по степени загрязнеь

ВЯВ Заводы Уровень загрязнения водных объектов

опасный (4 балла)

- низкий (1 балл)

-критический (5 баллов)

средний (2 балла) В средний (2 балла) опасны (4 балла) высокий (3 балла) I низкий (1 балл) НИ критический (5 баллов) Минерализация грунтовых вод. 1000-10000 ; .""И 10000-40000 40000-60000

ИИ 00000-100000 ИВ >100000

Мощность эквивалентной дозы гамма-излучения, мкЗв/час 20-40

Суммарный индекс загрязнения почв гс

Рис. 5 Комплексная карта загрязнения природно-техногенного комплекса в районе размещения объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат»

Для геоэкологической оценки природного комплекса вблизи химкомбината использовались многозональные космические снимки за 1973, 1981, 1987 гт. съемки в 4-х спектральных диапазонах с разрешением 80 м; за 1992, 2000, 2002, 2005 и 2007 гт. съемки в 8-ми спектральных диапазонах с разрешением 30 м, полученные с аппаратов Landsat. Снимки были сделаны в весеннее-летний период (май—август). Также в работе использовались снимки за сентябрь 2007 и апрель 2008 гг. в 4-х спектральных диапазонах с разрешением 10 м, полученные с аппарата SPOT-5. При обработке снимков использовали компьютерную программу ENVI 4.5.

Для предварительной подготовки изображений, полученных с космических аппаратов, использовали программу Geofit, разработанную в рамках выполнения данного исследования с использованием инструментального пакета Borland Delphi 7.0 (рис. 6). Данный продукт позволяет выделять область интересов на снимках согласно

Рис. 6Пользовательский интерфейс программы Geofit Методами автоматизированного дешифрирования проведена оценка динамики природно-техногенного комплекса в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат». По результатам обработки космических снимков в программном комплексе ENVI 4.5 способом максимального правдоподобия были получены тематические карты исследуемого природно-техногенного комплекса за период с 1973 по 2007 гг. (рис. 7). Проведен сравнительный анализ и обработка полученных материалов, выявлены тенденции изменения ландшафта в результате антропогенного влияния.

На основе результатов тематической обработки космических снимков территории вблизи Кирово-Чепецкого промышленного комплекса за период более 30 лет (с 20 августа 1973 по 16 августа 2007 гг.) и проведенного анализа полученных данных (табл. 1, рис. 8) выявлено изменение структуры природно-техногенной системы в районе исследования. В период с 1973 по 1981 гг. площадь урбанизированных территорий возросла в 5,2 раза, площадь распаханных земель - в 1,6 раз. Площади лиственных лесов и лугов в свою очередь резко сократились на 7,3 и 26,6% соответственно. Изменение процентного соотношения занимаемой классами территории в значительной степени связано с увеличением инженерно-строительных сооружений вследствие строительства крупного промышленного предприятия (Завода минеральных удобрений) и других объектов КЧХК.

По результатам дешифрирования космических снимков также можно сделать вывод о том, что луга, места вырубок постепенно зарастают вторичными лесами, возрастают площади лиственных лесов (1981 г. — 16,77%; 2007 г. - 19,08%). Изменения площадей,

занимаемых водными объектами на снимках, зависят от сезона съемки и проводимых гидротехнических мероприятий (в частности, создания карьера Завода минеральных удобрений). Полученные результаты автоматизированного дешифрирования космических снимков с использованием в качестве областей интереса объектов природно-техногенной системы в районе размещения предприятий КЧХК дополняют данные полевых

г)

Д)

е)

Набор характеристик класса объектов

Рис. 7 Результаты автоматизированного дешифрирования космических снимков способом параллелепипедов в районе размещения объектов ОАО «Кирово- Чепецкий химических комбинат»

с 1973 по 2007 гг.: а) 20.08.1973; б) 1.07.1981; в) 22.06.1987; г) 12.07.1992; д) 25.07.2002; е) 16.08.2007. Пространственное разрешение: а, б, в — 80 м; г, д, е — 30 м

сосновые леса

лиственные леса

урбанизированные территории

водные объекты

Таблица 1

Классификация объектов в районе размещения предприятий ОАО «Кирово-Чепецкий _химический комбинат» по занимаемой площади, %_

Класс объектов Занимаемая классом территория, %

1973 г. 1981 г. 1987 г. 1992 г. 2002 г. 2007 г.

Сосновые леса 7,91 8,42 9,58 13,57 14,18 15,52

Лиственные леса 24,08 16,77 19,25 12,14 15,28 19,08

Луга 41,52 14,96 20,11 26,89 19,26 29,88

Урбанизированная территория 4,09 21,23 26,21 16,01 26,10 12,28

Пашня 17,69 28,38 16,62 27,11 22,52 20,28

Водные объекты 4,71 8,26 8,23 4,25 2,67 2,96

2002 Г. } 14.18 15,28 19,26

1992Г. | 13,57 12,14

Л

=с

1987 г. 9,58 19,25

8,42 16,77 14,96 21,23 28,38 8,26

7,91 24,08 ■ 41,52 4,09 17,69 4,71

1- - - . 4...........-4 ----- 1 \

а Сосновые леса ■ Лиственные леса Луга

> Урбанизированная территория э Пашня Водные объекты

20% 40% 60% 80%

Занимаемая классомтерритория,%

Рис. 8 Динамика соотношения классов объектов в районе размещения объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат» в период с 1973 по 2007 гг.

Таким образом, проведенные нами исследования на территории в районе развития промышленного комплекса КЧХК, с использованием методов автоматизированного дешифрирования, позволили в динамике проследить развитие природно-техногенного комплекса за многолетний период. Установлено, что интенсивная хозяйственная деятельность привела к изменению структуры природного комплекса, к смене породного состава лесов, сокращению лугов, увеличению площади урбанизированных территорий. Выявлены тенденции антропогенного изменения ландшафтного комплекса, сделана оценка и прогноз влияния строительной и производственной деятельности на окружающую природную среду, что чрезвычайно сложно сделать с использованием только наземных методов исследования.

Для количественной оценки состояния растительности методами аэрокосмического мониторинга вблизи объектов ОАО «КЧХК» применяли нормализованный разностный вегетационный индекс ЛИ VI (табл. 2) и индекс влагосодержания (табл. 3), которые можно использовать как интегральные

показатели. Расчет индекса позволил получить карты, по которым можно проследить динамику изменения состояния растительности, оценить разреженность растительного покрова, выявить зоны угнетения и восстановления, содержание влаги в растительности. Составлен атлас индексных карт №ЭУ1 и Ж)\¥1 состояния сосновых, лиственных лесов, луговой растительности с использованием базы данных ДЗЗ, включающий 36 карт. К особенностям предложенного в работе подхода относится оценка значений указанных спектральных индексов отдельно для сосновых, лиственных лесов и луговых фитоценозов. Выбор данных природных объектов продиктован их различной чувствительностью к воздействию природных и антропогенных факторов среды.

При анализе полученных данных выявлено, что значения М)У1 выше в летние месяцы (июль, август), чем в весенние (май). Это может быть объяснено сезонной динамикой вегетационного индекса, так как растения в течение сезона проходят все фазы вегетации. Время прохождения фаз меняется в зависимости от метеоусловий данного года. По мере смены фаз вегетативного развития меняются состав и содержание пигментов в листьях растений, увеличивается биомасса, количество хлорофилла в зеленых листьях растений. Установлено, что в конце июля 2002 г. для всех классов растительности значения ИВУ! ниже, чем в середине августа 2007 г (рис. 9).

Рис. 9 Распределение значений МОП на территории в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат» по данным ЬЛ ЬЮЭА Т 7: а) 25.07.2002, б) 16.08.2007. Пространственное разрешение 30м

Таблица 2

Легенда к результатам распределения значений природных объектов в районе Кирово-Чепецкого химического комбината_

Значения индекса М>VI

0,52-0,66

0,66-0,77

-0,5-(-0,25)

-0,25-0,05

0,05-0,15

0-0,05

0,15-0,24

-0,5-(-0,25)

-0,25-0,03

0,03-0,23

0,23-0,42

0,42-0,62

9.08.2005

-0,25-0

0,25-0,45

0,45-0,53

0,53-0,65

16.08.2007

-0,5-0

0-0,25

0,25-0,50

0,50-0,55

0,55-0,70

0-0,24

0,24-0,49

0,52-0,67

С разрушением хлорофилла в осенние месяцы наблюдается обратная картина -яркость в красной зоне возрастает, а в ближней инфракрасной уменьшается. Это можно проследить на примере двух снимков, сделанных 16 августа 2007 г. и 4 сентября 2007 вазличных спутников (табл. 2, рис. 10).

' Рис.10 Распределение значений

N0 VI на территории в районе объектов ОАО «Кирова-Чепецкий химический комбинат» ~ ____по данным \ANDSAT 7: а)

^^■ИШЯШЯ ■■ЛННШЯЦ 16.08.2007, б) 4.09.2007.

, V , ^ '-1. Щ Пространственное разрешение

** I | Ы / л * шШ-ЩЫШШШж

б)

к |оте№Г6

Кроме того, выявлена тенденция к снижению значений вегетационного индекса для всех классов выделенных объектов при анализе снимков за июль 1992 и июль 2002 гг. (табл. 2). Например, для сосновых лесов выявлено значительное понижение значений вегетационного индекса за десятилетний период по сравнению с другими классами объектов (уменьшение Ж>У1 в 10 раз). Это говорит о достоверности результатов, так как по литературным данным сосновые леса являются наиболее чувствительными

индикаторами к различного рода загрязнениям окружающей среды. Таким образом, оценка данных дешифрирования свидетельствует о тенденции к ухудшению состояния растительности в зоне влияния объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат», что подтверждается и результатами полевых исследований.

а) Масштаб 1:250 ООО

с

Рис.11. Выброс загрязняющих веществ в атмосферу объектами ОАО «Кирово- Чепецкий химический комбинат»

согласно розе ветров

б) в)

На рис. 11а показано распределение плотности оседания загрязняющих веществ на территории в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат» согласно розе ветров за десятилетний период (2001 - 2011 гг). В Кировской области преобладающими направлениями ветра являются юго-западное, юго-восточное, западное северо-западное (рис. 116). По данным рисунка 11 выявлен характер распределения плотности оседания загрязняющих веществ на территории предприятий Кирово-Чепецкого химического комплекса, согласно которому на расстоянии около 6 км от предприятий КЧХК проявляется зона максимального распределения плотности оседания ЗВ (более 0,03 г/м2). Четко проявляется зависимость характера распределения от преобладающих направлений ветра в районе исследования. По мере удаления от объекта плотность оседания уменьшается, что также прослеживается при анализе данного рисунка. Результаты наземных наблюдений, анализ выбросов загрязняющих веществ в атмосферу коррелируют с данными дистанционного зондирования исследуемой территории. На правом берегу реки Вятки расположены лесные массивы с преобладанием

хвойных деревьев (сосна обыкновенная). По литературным данным (Шепятене и др., 1986) сосна обыкновенная является наиболее чувствительным индикатором на загрязнение воздушной среды. Это подтверждают результаты анализа карт NDVI (рис. Ив), на которых красным и оранжевым цветом отражены лесные массивы с наиболее низким значением вегетационного индекса.

При расчете NDVI по снимкам за август 2005 и август 2007 гг. получены сопоставимые результаты: значения индекса колеблются в одном интервале для каждого класса изучаемых объектов. Сравнение значений индексов наличия хлорофиллов с учётом сезонной динамики развития растений выявляет значительное снижение индексов в августе в сравнении с июльскими показателями, что вполне объяснимо уменьшением общего количества хлорофиллов в конце вегетационного периода. При анализе карты NDVI за 4 сентября 2007 года полученные значения индекса находятся в том же интервале, что и августе этого года (август-сентябрь приходится на конец вегетационного периода у растений). Достоверность методов дистанционного зондирования Земли подтверждается сопоставимостью результатов, полученных при использовании снимков различного разрешения и с различных спутников (Landsat 7 - 16.08.2007, SPOT-5 -4.09.2007).

Кроме того, в работе был проведен анализ распределения индекса влагосодержания NDWI на территории исследования в период с 1992 по 2007 гг. по данным спутников LANDSAT 7 и SPOT 5 (рис. 12, табл. 3). Нормализованный дифференциальный водный индекс NDWI, основанный на различии отражательной способности растительности в разных диапазонах инфракрасного спектра, позволяет выявить вариации растительного покрова, связанные с условиями увлажнения.

Рис. 12 Распределение значений NDWI природных объектов в районе Кирово-Чепецкого химического комбината по данным LANDSAT 7 за 25.07.2002. Пространственное разрешение S0 м

Таблица 3

Легенда к результатам распределения значений природных объектов в районе

Раскраска Класс объектов Значения индекса NDWI

12.07.1992 25.07.2002 9.08.2005 16.08.2007 4.09.2007

Почвы -0,5-(-0,25) -0,5-(-0,3) -0,5-(-0,25) -0,5-(~0,25) -0,5-(-0,3)

Техническая зона -0,25-0,1 -0,3-0 -0,25-0 -0,25-0 -0,3-(-0,13)

Сосновый лес 0,1-0,22 0-0,1 0,1-0,3 0,1-0,25 0,06-0,24

Лиственный лес 0,22-0,26 0,1-0,2 0-0,25 0,1-0,25 -0,13-0,06

Луговая растительность 0,26-0,3 0,1-0,2 0-0,25 0-0,1 -0,13-0,06

Водные объекты 0,3-0,5 0,15-0,3 0,3-0,5 0,25-0,5 -0,13-0,06

При расчете индекса влагосодержания растительных объектов нами

учитывались дата съемки, особенности метеорологических условий года съемки по сравнению со среднемноголетними показателями. Отражательные свойства изучаемых объектов заметно меняется после выпадения интенсивных осадков. Меняются спектральные характеристики луговой растительности и растительные ассоциации дешифрируются иначе, чем в засушливых условиях. При анализе полученных данных выявлена зависимость между значениями N0 IV! и метеорологическими условиями (количеством осадков) в дни съемки и за некоторый временной период до нее. Результаты анализов приведены в таблице 4 и на рисунке 13.

Таблица 4

Средние значения Т>ГО\У1 природных объектов в районе

Кирово-Чепецкого химического комбината__

Классы объектов 12.07.1992 23.05.2000 25.07.2002 9.08.2005 16.08.2007 4.09.2007

Сосновый лес 0,24 -0,05 0,063 0,22 0,13 0,09

Лиственный лес 0,31 -0,10 0,124 0,33 0,21 0,03

Луговая растительность 0,25 -0,046 0,16 0,21 0,007 0,04

Осадки 2 нед. до съемки, мм 49,4 29,8 44,1 36,2 18,3 54,2

Осадки 1 мес. до съемки, мм 66,2 75,2 45 70,1 91,1 69,5

Рис. 13 Зависимость между значениями индекса влагосодержания N0 Ш и суммой осадков за две недели до момента съемки

Максимальные значения

индекса выявлены для сосновых, лиственных лесов и луговой растительности в июле 1992 и августе 2005 гг. В эти же годы отмечаются интенсивные выпадения осадков за несколько дней до съемки (порядка 20 мм). Лиственные леса и луговая растительность в эти годы характеризуются самыми высокими значениями NDWI (0,22-0,26 и 0,25-0,5 соответственно). Более низкие показатели характерны для сосновых лесов (0,1-0,22), что может быть обусловлено особенностями спектра отражения хвои сосны в инфракрасном диапазоне в связи с её морфологией. Кроме того, время реакции различных видов растений на увлажнение различно: быстрее всего на осадки реагируют луговые сообщества, а медленнее всего -хвойные деревья, что проявляется на картах, отображающих динамику NDWI после прошедших дождей. 2007 год является самым засушливым за исследуемый период, что можно четко проследить по индексу влагосодержания, который для всех выделенных объектов отличается низкими значениями. Особенно засуха сказывается на состоянии луговых фитоценозов, где значение индекса находится в диапазоне от 0 до 0,1. В июле 2002 года значения Т^Ш также являются низкими, несмотря на большое количество выпавших осадков за двухнедельный период до съемки. Объяснить это можно низким значением средней суммы активных температур за этот месяц и, как следствие, задержкой времени прохождения фаз вегетации.

Кроме того, при анализе распределения значений МО\¥1 в районе Кирово-Чепецкого химического комбината за 15 лет была выявлена некоторая тенденция к усыханию лесов, что чётко прослеживается на рис. 13. Для сосновых лесов индекс влагосодержания за период с 1992 по 2007 гг. стал ниже на 62,5%, что может привести к

серьезным изменениям в состоянии лесных массивов. Проблема усыхания лесов характерна для всей Российской Федерации, в том числе для Кировской области, что подтверждается данными полевых исследований (Леса Кировской области, 2008). Мониторинг растительного покрова является важной составляющей мониторинга компонентов окружающей среды. Поэтому оценку состояния природно-техногенных систем с использованием аэрокосмических методов целесообразно включить в программу геоэкологического мониторинга окружающей среды в районе химкомбината, что позволит оперативно отслеживать динамику состояния природного комплекса на данной территории в условиях техногенного воздействия и выявлять возможные негативные изменения.

На основе данных дистанционного зондирования земной поверхности проведен анализ динамики русловых процессов на участке реки Вятка в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат». Река Вятка протекает по Европейской части России и является самым крупным притоком р. Камы (рис. 14).

зеркало воды р. Вятка РиС.14 Совмещение КОСМЫЧвСКиХ СНЫМКОв в Период

. период „««.„« 2оо7 г. межени 2007 и паводка 2008 гг. поймы р. Вятка на участке от

зеркало воды р. Вятка в период паводка 2008 г.

устья р. Чепца до устья р. Быстрица

В результате дешифрирования космических снимков в период паводка 2008 г. и период межени 2007 г. дана оценка долины реки Вятка в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, г. Кирова и Оричевском районе. Пойма р. Вятки является типичной для равнинных рек Европейской территории России. Для нее характерна высокая интенсивность процессов меандрирования, связанных с размытием берегов и наличием останцев, сложенных коренными породами, устойчивыми к размыву. На снимке отчетливо видны веера блуждания, отражающие историю эволюции реки Вятка. Установлено, что затапливаемая территория в районе КЧХК относительно небольшая, например, по сравнению с территорией Оричевского района, где ширина поймы превышает 10 км.

Сравнение снимков, снятых в меженный период разных лет позволяет оценить интенсивность русловых процессов реки Вятки. Например, на рис. 12 показаны изменения конфигурации береговой линии реки Вятка в районе химического комбината на основе снимков 1992 и 2002 гг. В процессе анализа космических снимков за указанный период выявлено постепенное сокращение площади акватории (в 1,8 раз). Причинами данных изменений могут служить сведение лесов в верховьях р. Вятки, резкое снижение объема гидротехнических работ (прекращена расчистка судоходного русла с начала 90-х годов).

Рис. 15 Результаты постклассификации для выявления изменения русловых процессов реки Вятка Выявлены зоны аккумуляции и размыва берегов реки Вятки в районе КЧХК за период 1992-2002 гг. (рис. 15). По результатам дешифрирования космических снимков за 10 лет правый берег излучины реки Вятки сместился на 80-100 м, левый - на 30 - 50 м. Смещение береговой линии происходит в результате размыва высокого коренного берега, сложенного коренными пермскими глинами. Размыв правого берега — явление закономерное для равнинных рек Европейской России вследствие действия сил Кориолиса. На противоположном берегу реки на космических снимках четко видны зоны устойчивой аккумуляции. Отложения аккумулятивного материала составляют 30-50 м.

Выделены контуры зон аккумуляции и размыва при наложении изображений разных лет съемки. Например, на рис. 16 площадь зоны размыва по данным дешифрирования снимков 1992 и 2002 гг. составила 60300 м2, а объем смытого грунта -более 42000 м3. Полученные данные свидетельствуют о значительной интенсивности развития опасных природных процессов, проявляющихся в изменении зон размыва, подтопления, смещения русла, изменении площади акватории р. Вятка. Результаты исследований подтверждают, что в районе объектов КЧХК природный комплекс сильно преобразован и представляет собой нарушенную природно-техногенную систему.

Рис. 16 Зоны аккумуляции и смещения береговой линии р. Вятки в районе Кирово-Чепецкого химического комбината

Доказано, что космические изображения позволяют

фиксировать многолетние, сезонные и эпизодические изменения в положении береговой линии за счет колебания уровня реки Вятки, динамику осушения береговой зоны, области развития аккумулятивных процессов. Геоэкологический анализ с использованием аэрокосмических методов облегчает решение проблем дистанционно-картографического обеспечения экологического мониторинга р. Вятка.

Доказана целесообразность применения методов аэрокосмического мониторинга для экологической оценки состояния водных объектов. Особо важным фактором, влияющим на «цветение» водоемов, является антропогенный. Характер «цветения» зависит от уровня загрязнения, в том числе, техногенного, и проявляется в относительном обилии разных групп водорослей. Общепризнанным является то, что «цветение» сильно загрязненных водоемов обусловлено преобладанием сине-зеленых

водорослей (Сиренко, 1988). Характерной особенностью спектра отражения данного класса водорослей является относительно высокая интенсивность отраженного излучения в синей части спектра. Для оценки характера «цветения» и степени загрязнения водоемов с применением данных ДЗЗ нами предложен цианобактериальный индекс - Normalized Difference Cyanobacterial Index (NDCI). Он определяется по аналог™ с другими нормализованными разностными индексами:

NDCI

R-BLUE R-GREEN

R-blue +

Rr.

GREEN

где, Явше и Кскеек - коэффициенты отражения электромагнитного излучения в видимом синем (длины волн 0,45-0,52 мкм), видимом зеленом (0,52-0,60 мкм) диапазонах соответственно (границы диапазонов приведены для сенсора ЕТМ+ спутника Ьа^за1-7).

Для расчета индекса использовались многозональные космические снимки за 12.07.1992, 25.07.2002 и 16.08.2007 гг. съемки, полученные с аппаратов Ьамкаг (рис 17).

/ J

ь КирЩррЬпецкий У химический комбинат' Карьер ЗМУ

1 х

Карьер ЗМУ

КираЗШЯюпецкий j химический комбинат

\ л -

1 f

t / ш / i кир^Рпаиий

Y кгииййй Kctdmffl

\

а)

б)

в)

kilometers

Рис. 17 Распределение NDCI в водных объектах в районе Кирово-Чепецкого химического комбината по данным LANDSAT 7: а) 12.07.1992, б) 25.07.2002, в) 16.08.2007. Пространственное разрешение 30 м

Таблица 5

Легенда к результатам распределения NDCI в водных объектах в районе

Раскраска Значения индекса NDCI

12 июля 1992 г. 25 июля 2002 г. 16 августа 2007 г.

0,31-0,37 0,13-0,16 0,30-0,36

0,37-0,43 0,16-0,19 0,36-0,42

^■яииитвпп—вв 0,43-0,49 0,19-0,21 0,42-0,48

При анализе полученных данных выявлены различия в значениях N001 для водных объектов изучаемой территории (табл. 5). В 1992 г. водной поверхности карьера ЗМУ соответствуют высокие значения индекса (0,43-0,49), это говорит о преобладании цианобактерий и высокой степени загрязнения данного водного объекта, в отличие от р. Вятка, где N001 отличается более низкими значениями. Данные дистанционного зондирования подтверждаются данными наземных исследований (рис. 4а). При ранжировании водных объектов по степени загрязнения на основе комплексного показателя ИЗВ, установлено, что карьер ЗМУ характеризуется средним, а р. Елховка критическим и опасным уровнями загрязнения, в отличие от р. Вятки с низким уровнем загрязнения. Значение цианобактериального индекса зависит и от погодных условий и сезона года. Так, в июле 2002 года индекс характеризуется невысокими показателями (0,13-0,21). Слабое «цветение» водоемов можно объяснить низкими температурами в

июле месяце 2002 года, что сказывается на развитии водорослей (повышенными температурами, низким количеством осадков). На карте распределения N001 в августе 2007 года наблюдается массовое «цветение» всех водных объектов вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината, что объясняется погодными особенностями года. Разработанный нами метод анализа можно использовать в целях экологического мониторинга водных объектов в течение сезона массового «цветения» водоемов. Характер «цветения» за счет преобладания в водоемах сине-зеленых водорослей может косвенно говорить о степени загрязнения исследуемых объектов. Для оценки экологического состояния водных объектов вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината такой подход используется впервые. Применение спектрометрических определений и многозональной съемки для изучения продуктивности водных объектов является актуальным при реализации системы геоэкологического мониторинга на исследуемой территории.

Четвертая глава посвящена вопросам оптимизации экологического мониторинга природно-техногенных систем с использованием методов аэрокосмического мониторинга, ГИС-технологий и картографирования.

В перечень приоритетных показателей геоэкологической оценки и мониторинга природных сред и объектов в районе объектов КЧХК предложено включить содержание общепромышленных и специфических загрязняющих веществ, характерных для каждого производства, а также показателей, полученных по данным ДЗЗ: изменение площадей и структуры природных объектов (сосновые леса, лиственные леса, луга, урбанизированные территории, водные объекты); изменение процентного соотношения занимаемой данными классами территории; изменение видового состава растительного покрова лугов, лесов и пашен; площади зарастания вторичными лесами; изменение ландшафта; спектральные характеристики загрязнения водоёмов по альгофлоре; оценка интенсивности русловых процессов (масса и объем выносимого материала); изменение площадей, занимаемых водными объектами; изучение сезонной и многолетней динамики состояния растительного покрова с использованием вегетационного индекса и индекса

влагосодержания ЫО\\'1 - как интегральных показателей; оценка сезонной динамики экологического состояния водных объектов по цианобактериальному индексу.

Структурно-функциональная схема системы геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе влияния промышленных предприятий КЧХК представлена на рис. 18. Она включает три блока: мониторинг природных сред и объектов, мониторинг природно-техногенных систем и аэрокосмический мониторинг.

Аэрокосмический мониторинг в данном исследовании мы рассматриваем как компонент системы геоэкологического мониторинга, вследствие того, что его составляющие - космические снимки и результаты их дешифрирования в совокупности с данными наземных наблюдений позволяют сделать наиболее достоверную оценку состояния как природных, так и природно-техногенных систем.

Геоэкологическим мониторинг природных и природно-техногенных систем

Мониторинг поверхностных и

Мониторинг почв

Кирово-Ч*п«цким

Лаборатория Ро«РАО

н

Рис 18. Структурно-функциональная схема системы геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе Кирово-Чепецкого химического комбината Структурно-функциональная схема геоэкологического

мониторинга включает

мониторинг природных и

21

природно-техногенных систем на основе сочетания наземных, воздушных и космических наблюдений с указанием исполнителей. Предлагаемая нами система геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе предприятий КЧХК с использованием аэрокосмических методов исследования позволяет в динамике выявлять изменения, происходящие в природном комплексе, делать прогноз и обеспечивает опережающий характер в принятии управленческих решений.

Важной составляющей системы геоэкологического мониторинга окружающей среды вблизи КЧХК является использование и разработка информационных продуктов в виде электронных баз данных и картографического материала. Создан банк многолетних данных (за 35 лет) спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведена обработка разновременных разномасштабных космических снимков с целью проведения геоэкологической оценки и прогноза территории исследования. Учитывая, что Кирово-Чепецкий промышленный комплекс расположен на расстоянии 1,5 км от города Кирово-Чепецка с населением 83 тысячи человек, наряду с геоэкологическим мониторингом должен проводиться социально-гигиенический мониторинг, включающий санитарный контроль условий проживания и компонентов природной среды, питьевой воды, продовольственного сырья; анализ показателей общей заболеваемости населения и медико-демографический анализ состояния здоровья населения. В соответствии с этим нами предложена модель системы комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в районе реки Вятки - основного питьевого источника населения областного центра и окружающей природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.

Для функционирования системы комплексного экологического мониторинга в районе химически и радиационно-опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината и принятия оптимальных управленческих решений требуется оперативный анализ всей информации, получаемой исполнителями геоэкологического мониторинга природных сред и объектов, природно-техногенных систем, а также социально-гигиенического мониторинга. Источниками информации для формирования базы данных ГИС комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в районе КЧХК являются существующие в настоящее время базы данных исполнителей, созданные уполномоченными природоохранными органами (Росгидромет, Росприроднадзор, Роспотребнадзор, Департамент экологии и природопользования). На базе полученной информации в информационно-аналитическом центре должны создаваться различные электронные карты, отражающие динамику состояния окружающей среды в районе химкомбината.

Информационно-аналитический центр должен представлять собой структуру, состоящую из 4 уровней: локального, территориального, регионального, федерального. Локальный уровень включает в себя информацию об экологическом состоянии окружающей среды и воздействии крупного химического комбината на окружающую среду. На данном уровне конкретными исполнителями собирается первичная информация в виде протоколов отбора проб, геоботанических описаний, базы данных о географических координатах участков отбора проб для картирования местности.

Информация по результатам комплексного экологического мониторинга на территориальном уровне обеспечивается службой эколого-аналитического контроля Кирово-Чепецкого химического комбината.

С территориального уровня вся информация поступает в органы регионального управления - Департамент экологии и природопользования Кировской области, Управление конвенциальных проблем Правительства Кировской области, а далее в соответствии с Федеральным законом РФ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 9 ноября 2011 г. в органы Федерального управления -Министерство природных ресурсов РФ и ФГУП «Предприятие по обращению с радиоактивными отходами «РосРАО».

Комплексный экологический мониторинг окружающей природной среды в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса до настоящего времени не осуществляется. В ближайшее время Департаментом экологии и природопользования планируется включить разработку программы комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в областную целевую программу «Экология и природные ресурсы Кировской области». Разработанная нами структурно-функциональная схема геоэкологического мониторинга и модель системы комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в районе КЧХК может стать основой для разработки программы комплексного экологического мониторинга исследуемой территории.

Основные выводы диссертационного исследования:

1. В работе впервые проведена геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, сделан вывод о том, что природный комплекс в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат» под воздействием техногенного загрязнения сильно преобразован и представляет собой нарушенную природно-техногенную систему. По данным констатационных, синтетических и аналитических карт природных сред и объектов впервые построена карта комплексного техногенного загрязнения природных сред и объектов в районе КЧХК. Выявлены ареалы химического, радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности, которые приурочены к водным объектам: вдоль р. Елховка на всем ее протяжении, оз. Бобровое и Просное.

2. На основе обработки данных ДЗЗ сделан вывод о том, что геоиндикаторами развития опасных природных процессов на исследуемой территории являются различия положения береговой линии реки Вятки, проявляющиеся в изменении зон аккумуляции, размыва, подтопления территории во время паводков, смещения русла, изменения площади обводненной территории в районе исследования за период с 1992 по 2002 гг. Выявлено постепенное сокращение (в 1,8 раз) акватории исследуемого участка р. Вятки в районе КЧХК в период с 1992 по 2002 гг.; проявляется смещение правого берега излучины реки Вятки за 10 лет на 80 - 100 м, левого - на 30 - 50 м. Площадь зоны размыва в районе исследования достаточно велика по размеру и составляет 60300 м2, а объем смытого грунта - более 42000 м3. Полученные данные свидетельствуют о высокой интенсивности развития опасных природных процессов в районе исследования. По результатам дешифрирования космических снимков можно делать прогнозы скорости размыва берегов, что крайне необходимо учитывать при строительстве различных сооружений и эксплуатации экологически опасных объектов КЧХК, расположенных в прибрежной зоне. Доказано, что космические изображения позволяют фиксировать многолетние, сезонные и эпизодические изменения в положении береговой линии за счет

колебания уровня реки Вятка, динамику осушения береговой зоны, области развития аккумулятивных процессов.

3. Обработка разновременных, разномасштабных, многолетних (за период 15 лет) космических снимков и построение на их основе тематических карт позволили выявить тенденцию к снижению значений вегетационного индекса для всех классов изучаемых объектов, зависимость индекса влагосодержания от метеорологических условий года съемки, тенденцию к усыханию лесов в районе влияния Кирово-Чепецкого химического комбината (снижение индекса влагосодержания для сосновых лесов за период наблюдения 15 лет составило 62,5%). Выявлено изменение структуры природно-техногенной системы в районе исследования - в период с 1973 по 1981 гг. площадь урбанизированных территорий возросла в 5,2 раза, площадь распаханных земель - в 1,6 раз; площади лиственных лесов и лугов в свою очередь резко сократились на 7,3 и 26,6% соответственно, что может быть связано со строительством Завода минеральных удобрений и других сооружений за эти годы на территории в районе КЧХК. С использованием базы данных ДЗЗ составлен атлас индексных карт №)У1 и №Э\У1 состояния сосновых, лиственных лесов, луговой растительности, включающий 36 карт.

4. Доказана целесообразность применения методов аэрокосмического мониторинга для геоэкологической оценки состояния водных объектов. По результатам расчета цианобактериального индекса, отражающего характер «цветения» водоемов, проведено ранжирование водных объектов по степени их загрязнения на изучаемой территории. Для оценки экологического состояния водных объектов вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината такой подход используется впервые, данных по оценке экологического состояния поверхностных водных объектов с использованием аэрокосмических методов нет, что подтверждает новизну и актуальность проведенного исследования.

5. Апробированные в ходе диссертационного исследования аэрокосмические методы, ГИС-технологии, методы моделирования, математической и статистической обработки результатов исследования, а также разработанные на основе данных ДЗЗ новый метод оценки характера "цветения" водоемов и определения степени их техногенного загрязнения, новая компьютерная программа Оеой1, используемая для предварительной подготовки данных дистанционного зондирования позволяют с высоким уровнем достоверности за длительный период наблюдений выявлять степень загрязнения природного комплекса и ареалы химического и радиационного загрязнения компонентов природно-техногенных систем, динамику изменения ландштафтов, русловых процессов реки Вятки в районе исследования и могут использоваться как в системе комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в районе КЧХК, так и других территорий.

6. Отмечено, что для данной территории до настоящего времени не была разработана программа государственного экологического мониторинга. В рамках данного исследования впервые разработана и оптимизирована структура системы геоэкологического мониторинга на территории в районе КЧХК, включающая информативные показатели, современные методы и технологии, которая может стать основой для разработки программы комплексного экологического мониторинга реки Вятки - основного питьевого источника населения областного центра и окружающей природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.

Таким образом, в работе решены все поставленные задачи, цель исследования выполнена. Разработка рекомендаций по созданию системы геоэкологического мониторинга и использованию аэрокосмических методов в оценке и прогнозе исследуемой нами территории в районе влияния объектов ОАО «Кирово-Чепецкого химического комбината» является своевременным, актуальным и социально-значимым научным исследованием. Предложенные современные методы и технологии геоэкологической оценки, прогноза и мониторинга природно-техногенного комплекса в

районе КЧХК могут быть использованы для разработки программ и создания систем комплексного экологического мониторинга других территорий.

Основные публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Скугорева С. Г. Изучение состояния почв на территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, Е. В. Дабах, Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, И. И. Шуктомова, Т. Я. Ашихмина // Теоретическая и прикладная экология. — 2009,-№2.-С. 37-46.

2. Адамович Т. А. Содержание тяжелых металлов в почвах и донных отложениях вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина // Аграрный вестник Урала. - 2009. - № 11.-С. 10-112.

3. Адамович Т. А. Экологическое состояние природного комплекса на территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Г. Я. Кантор, Т. Я. Ашихмина // Проблемы региональной экологии. - 2010. - № 3. - С. 197205.

4. Ашихмина Т. Я. Изучение состояния природного комплекса в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. Я. Ашихмина, Е. В. Дабах, Г. Я. Кантор, А. П. Лемешко, С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович // Теоретическая и прикладная экология. -2010. -№ 3. - С. 18-26.

5. Скугорева С. Г. Оценка степени снегового покрова в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, В. П. Савиных, Т. Я. Ашихмина, А. В. Изместьева // Теоретическая и прикладная экология. -2011.-№ 1.С. 31-37.

6. Олькова А. С. Оценка состояния водных объектов методами биотестирования в зоне влияния промышленных предприятий (на примере Кирово-Чепецкого химического комбината) [Текст] / А. С. Олькова, С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович, Н. В. Вараксина, Т. Я. Ашихмина//Теоретическая и прикладная экология. -2011. -№ 3. - С. 46-52.

7. Адамович Т. А. Содержание радионуклидов в растениях [Текст] / Коллектив авторов. Биологический мониторинг природно-техногенных систем / Под общ. ред. Т. Я. Ашихминой, Н. М. Алалыкиной. Сыктывкар, 2011. - С. 253-259. (Коми научный центр УрО РАН).

В прочих изданиях:

8. Адамович Т. А. Основы и принципы организации системы экологического мониторинга территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина, Г. Я. Кантор // Региональные и муниципальные проблемы природопользования: матер. 10-й всерос. науч.-практ. конф. - Кирово-Чепецк, 2008. - С. 57-59.

9. Адамович Т. А. Радиационная обстановка на территории, прилегающей к Кирово-Чепецкому химическому комбинату [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, И. И. Шуктомова, Т. Я. Ашихмина // Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды: матер, междунар. конф. - Сыктывкар, 2009. -С. 124-125.

10. Адамович Т. А. Радиометрическое исследование территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина // Экологические проблемы промышленных городов: матер. IV всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч. - Саратов, 2009. - С. 120-121.

11. Адамович Т. А. Оценка радиационной обстановки на территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер. 4-ой обл. науч.-практ. конф. молод. - Киров, 2009. - С. 20-21.

12. Скугорева С. Г. Загрязнение ртутью почв и донных отложений в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, Е. В. Дабах, Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, Т. Я. Ашихмина // Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты: матер, междунар. симпозиума. - Москва: ГЕОХИ РАН, 2010. - С. 203-207.

13. Адамович Т. А. Изучение особенностей накопления радионуклидов в растениях [Текст] / Т. А. Адамович // Инновационные методы и подходы в изучении естественной и

антропогенной динамики окружающей среды: матер, всерос. науч. школы для молодежи в 3 част. - Киров: ООО «Лобань», 2010. - Ч. 3.- С. 93-97.

14. Адамович Т. А. Изучение состояния растительности методами дистанционного зондирования в районе производственной деятельности предприятия химической промышленности [Текст] / Т. А. Адамович // Геоинформационное картографирование в регионах России: матер. 2-ой всерос. заочн. науч.-практ. конф. Воронеж, 2010. - С. 45-47.

15. Адамович Т. А. Использование методов дистанционного зондирования при оценке антропогенно-нарушенных территорий в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, Т. Я. Апгахмина // Экология родного края — проблемы и пути их решения: матер, всерос. науч.-практ. конф. молодежи. — Киров: ООО «Лобань», 2010,-С. 154-156.

16. Адамович Т. А. Содержание ртути в почвах и донных отложениях территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Я. В. Новокшонова, С. Г. Скугорева // Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды: матер, всерос. науч. школы для молодежи в 3 част. - Киров: ООО «Лобань», 2010. - Ч. 3 - С. 102-105.

17. Адамович Т. А. Использование данных дистанционного зондирования для классификации природных объектов вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович // Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации: матер. VIII всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. в 2 част. — Киров: ООО «Лобань», 2010. -Ч.2.-С. 183-186.

18. Адамович Т. А. Определение содержания нитрат-ионов в донных отложениях водных объектов, расположенных в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Н. В. Сокольникова // Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации: матер. VIII всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. в 2 част. -Киров: ООО «Лобань», 2010. -Ч. 2. - С. 175-177.

19. Скугорева С. Г. Использование метода локализованных диаграмм для оценки загрязнения нитратом аммония водных объектов в районе КЧХК [Текст] / С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, А. В. Изместьева // Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации: матер. VIII всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. в 2 част. - Киров: ООО «Лобань», 2010. - Ч. 2. - С. 207 -211.

20. Адамович Т. А. Ферментативная активность почв техногенно нарушенных территорий (на примере территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината) [Текст] / Т. А. Адамович, Запольских Т. С. // Экология родного края — проблемы и пути их решения: матер, всерос. науч.-практ. конф. молодежи. - Киров: ООО «Лобань», 2010. -С. 156-158.

21. Сокольникова Н. В. Определение содержания нитрат-ионов и ионов аммония в почвах и донных отложениях водных объектов, расположенных в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Н. В. Сокольникова, С. В. Дзюина, Т. А. Адамович // Знания молодых - новому веку: матер, междунар. студенч. науч. конф.: науч. труды, в 2 част. Ч. 1. Агрономические, биологические, ветеринарные науки. — Киров: Вятская ГСХА, 2011.-С. 128-130.

22. Адамович Т. А. Содержание нитратов и нитритов в растениях в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева // Экологические проблемы промышленных городов: науч. труды. - Саратов, 2011. - С. 180— 183.

23. Адамович Т. А. Оценка состояния растительности в зоне техногенного влияния Кирово-Чепецкого химического комбината с применением данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий [Текст] / Т. А. Адамович, Т. Я. Ашихмина // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: матер. П междунар. науч.-практ. конф. в 2 част — Владикавказ, 2011. - Ч. 2. - С. 43 - 45.

24. Смирнова Т. О. Методы картографирования в комплексной оценке поверхностных водных объектов техногенно-нарушенных территорий [Текст] / Т. О. Смирнова, Т. А. Адамович, Т. Я. Ашихмина // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. — Киров: ООО «Лобань», 2011.- С. 86 — 87.

25. Адамович Т. А. Методы аэрокосмического мониторинга в оценке экологического состояния техногенно-нарушенных территорий на примере Кирово-Чепецкого

химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Т. О. Смирнова, Т. Я. Ашихмина // Экоаналитика - 2011: тез. докл. VIII всерос. конф. - Архангельск, 2011. - С. 63.

26. Adamovych Т. Using vegetation indexes for estimation of condition of vegetation near Kirovo-Chepetskyy chemical complex [Text] / T. Adamovych, S. Skugoreva, G. Kantor, Т. Ashykhmyna // Geoinformation Monitoring of Environment: GPS and GIS technologies: Proceedings of XVI International scientific-technical symposium. - Lviv: Lviv Astronomical and Geodetic Society, 2011. - P. 211-213.

27. Адамович Т. А., Скугорева С. Г., Кантор Г. Я. Оценка содержания загрязняющих веществ в водных объектах территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева, Г. Я. Кантор // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: матер, всерос. науч.-пракг. конф. с междунар. участ. в 2 част. - Киров, 2008. - Ч. 2.-С. 105-108.

28. Злобин С. С. Интенсивность развития микробных комплексов в почвах в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. С. Злобин, Ю. Н. Зыкова, С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович, JI. И. Домрачева, Е. В. Дабах, Г. Я. Кантор // Экология родного края - проблемы и пути их решения: матер, всерос. науч. -практ. конф. молодежи. - Киров: ООО «Лобань», 2010. - С. 55-58.

29. Злобин С. С. Использование методов биоиндикации, биотестирования и химического анализа для оценки состояния почвы в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. С. Злобин, Н. А. Шулятьева, Е. В. Дабах, С. Г. Скугорева, Л. И. Домрачева, Т. А. Адамович // Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации: матер. VIII всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. в 2 част. - Киров: ООО «Лобань», 2010 - Ч. 2.-С. 193-196.

30. Дзюина С. В. Содержание нитратов и обменного аммония в почвах в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. В. Дзюина, Т. А. Адамович // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. -Киров: ООО «Лобань», 2011. - С. 61-64.

31. Запольских Т. С. Изучение активности уреазы в почвах зоны влияния техногенных объектов Кировской области [Текст] / Т. С. Запольских, Т. А. Адамович, С. Ю. Огородникова // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011,— С. 65-67.

32. Сокольникова Н. В. Использование метода локализованных диаграмм в оценке азотного загрязнения донных отложений вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Н. В.Сокольникова, Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-пракг. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. - С. 73-76.

33. Казакова О. Ю. Определение нитратов в растениях методом потенциометрии в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / О. Ю. Казакова, Т. В. Попова, Т. А. Адамович // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. - С. 78-80.

34. Скугорева С. Г. Оценка ионного состава снегового покрова вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, Ю. В. Шихова, М. А. Жевлакова, Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. - С. 100-104.

35. Адамович Т. А. Геоэкологическая оценка состояния растительности антропогенно нарушенных территорий с использованием методов аэрокосмического мониторинга [Текст] / Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, Т. Я. Ашихмина // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. - С. 106-109.

36. Новокшонова Я. В. Оценка загрязнения тяжелыми металлами почв и донных отложений в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Я. В. Новокшонова, Т. А. Адамович, С. Г. Скугорева // Экология родного края: проблемы и пути их решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. — Киров: ООО «Лобань», 2011. — С. 111-114.

37. Адамович Т. А. Применение методов картографирования в оценке состояния снегового покрова вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, С. Г. Скугорева, Т. Я. Ашихмина // Экология родного края: проблемы и пути их

решения: матер, всерос. молод, науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. С. 117121.

38. Адамович Т. А. Применение относительного вегетационного индекса для оценки состояния растительности вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. А. Адамович, Г. Я. Кантор, Т. Я. Ашихмина // Биологический мониторинг природно-техногенных систем: матер. IX всерос. науч.-практ. конф. - Киров: ООО «Лобань», 2011. -С. 217-219.

39. Адамович Т. А. Проблема загрязнения ртутью компонентов окружающей среды вблизи КЧХК [Текст] / Т. А. Адамович, Т. Я. Ашихмина, С. Г. Скугорева, Я. В. Новокшонова // Экология родного края: проблемы и пути их решения : материалы третьей обл. науч.-практ. конф. Молодёжи. - Киров: Изд-во ВятГТУ, 2008. - С. 172-173.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Адамович, Татьяна Анатольевна, Ростов-на-Дону

61 12-11/187

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

На правах рукописи

АДАМОВИЧ ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИИ В РАЙОНЕ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Диссертация на соискание учёной степени кандидата географических наук

Научный руководитель Ашихмина Т.Я., доктор технических наук

Ростов-на-Дону 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................5

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ........15

1.1. Физико-географическая характеристика территории размещения объектов ОАО "Кирово-Чепецкий химический комбинат" (КЧХК)...............15

1.2 Общая характеристика производства объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, экологические проблемы, пути решения................24

1.2.1. Краткая история развития производств на предприятиях КХЧК............................................................................................24

1.2.2. Экологические проблемы, связанные с деятельностью предприятий Кирово-Чепецкого промышленного комплекса......................26

1.3. Экологический контроль и мониторинг в районе промышленной

зоны объектов КЧХК........................................................................31

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИИ В РАЙОНЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.........37

2.1. Методы наземного геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе хранения химических и радиационно опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината.............................................37

2.2. Химические и токсикологические методы анализа проб воды, донных отложений, почвы и растительности...........................................42

2.3. Картографические и математические методы в представлении результатов анализа...........................................................................44

2.4. Методы аэрокосмического мониторинга в геоэкологической оценке природных и природно-техногенных систем.................................44

2.4.1. Методы дешифрирования космических снимков. Дешифровочные признаки..................................................................46

2.4.2. Технология дешифрирования космических снимков...............51

2.4.3. Спектральная отражательная способность...........................53

2.4.4. Вегетационные индексы..................................................58

2.5. Геоинформационные методы в оценке состояния природного

комплекса района исследования...........................................................61

ГЛАВА 3. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА...........................................................................63

3.1. Оценка состояния атмосферного воздуха по атмосферным осадкам (снеговой покров) вблизи КЧХК..............................................65

3.2. Геоэкологическая оценка состояния водных объектов..............67

3.2.1. Оценка интенсивности русловых процессов по данным дистанционного зондирования.............................................................67

3.2.2. Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений......................................................................................72

3.2.3. Оценка сезонной динамики экологического состояния водных объектов аэрокосмическими методами...................................................86

3.3. Геоэкологическая оценка состояния почв..............................90

3.3.1. Характеристика почвенного покрова района исследования......90

3.3.2. Химическое загрязнение почв..........................................91

3.3.3.Радиационное загрязнение почв.......................................101

3.4. Геоэкологическая оценка состояния растительного покрова......105

3.4.1. Характеристика фитоценозов района исследования..............105

3.4.2. Содержание поллютантов в растительных объектах..............106

3.4.3. Анализ сезонной и многолетней динамики состояния растительного покрова по материалам космических снимков.....................109

3.5.Оценка динамики природно-техногенного комплекса в районе объектов ОАО "Кирово-Чепецкий химический комбинат" методами

автоматизированного дешифрирования................................................126

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-

ТЕХНОГЕННОГО КОМПЛЕКСА В РАЙОНЕ ОБЪЕКТОВ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА...............................132

4.1. Обоснование перечня показателей геоэкологического мониторинга природных сред и объектов в районе исследования.................................132

4.2. Обоснование методов и технологий геоэкологического мониторинга природных компонентов в районе исследования...................137

4.3. Структурно-функциональная схема аэрокосмического компонента системы геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе КЧХК.....................................................................140

4.4. Организационное и информационное обеспечение геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината.....................149

ВЫВОДЫ.............................................................................156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................159

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................160

Приложение. №6

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

На территории Кировской области более 60 лет действует «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б. П. Константинова» (КЧХК) являющийся одним из крупнейших промышленных предприятий России по производству фторполимеров и минеральных удобрений. За годы деятельности промышленных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, природный комплекс в районе его эксплуатации под воздействием техногенного загрязнения сильно преобразован и представляет собой нарушенную природно-техногенную систему, сформировавшуюся вследствие сброса стоков предприятий, воздействия выбросов, складирования отходов производства, нарушения ландшафта при строительстве и эксплуатации объектов.

На территории комбината находятся шламонакопители и хвостохранилища, содержащие свыше 1 млн. 200 тыс. т токсичных отходов, в том числе, около 400 тыс. т ртутьсодержащих и более 440 тыс.т. радиоактивных отходов. Хранилища отходов производства расположены в 1.5 км от селитебной зоны г. Кирово-Чепецка, в зоне санитарной охраны водозабора областного центра города Кирова с населением более 500 тыс. человек. За годы производственной деятельности всего комплекса предприятий КЧХК существенно возросли площади антропогенно нарушенных земель, водных и биологических экосистем.

Система производственного экологического контроля химического состава сточных, поверхностных и подземных вод, ливневых стоков, промышленных выбросов на объектах КЧХК осуществляется на постоянной основе. Однако комплексного изучения техногенного загрязнения природных сред и объектов на такой сложной территории, в районе крупного химического комбината с его прошлым радиационным наследием, расположенной в пойме реки Вятки - основного питьевого источника населения региона не проводилось. Экологический мониторинг компонентов природной среды,

включающей изменение ландшафтов, водных, почвенных экосистем, растительных и животных объектов на данной территории не осуществляется.

Всё это обусловливает актуальность и необходимость проведения работ по изучению экологического состояния территории в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, с использованием не только наземных методов исследований, но и современных геоинформационных и аэрокосмических технологий, позволяющих в динамике оценить происходящие изменения, провести геоэкологическую оценку и сделать прогноз развития экологической ситуации.

В геоэкологических исследованиях за последние годы все шире используются аэрокосмические технологии, основанные на дешифрировании космических снимков разного пространственного разрешения и различных лет съемки (Барталев и др., 2006; Востокова и др., 1982; Богомолов Л. А., 1976; Лурье И. К., 2010; Дейвис Ш. М., 1983; Савиных В. П., Малинников В. А., Сладкопевцев С. А., 2000; Лабутина И. А., 2004; Чандра А. М., Гош С. К., 2008). Космические снимки обеспечивают достоверность, оперативность и регулярность измерения характеристик состояния природной среды и являются основой при организации мониторинга природно-техногенных систем. Они являются надежным источником достоверной информации о пространственной структуре земной поверхности, в том числе отдельных компонентах природной среды, объектах инфраструктуры и т.п. Кроме того, использование дистанционных методов позволяет оперативно обнаруживать экологически неблагополучные ситуации. Например, изменение видового состава растительного покрова является объективным показателем антропогенных трансформаций и хорошо выявляется при анализе серий космических снимков и др.

В геоинформационном картографировании, основанном на дешифрировании космических снимков и результатах полевых исследований успешно используется разнообразное программное обеспечение ГИС. Однако следует отметить, что многие ГИС-технологии не адаптированы к обработке полученных специфических данных, а в некоторых случаях требуется

разработка новых программных продуктов для оценки состояния территорий с учетом их особенностей.

Кроме того, разработанные в диссертационном исследовании программные продукты, материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса в районе исследования, рекомендации по организации системы геоэкологического мониторинга являются актуальными и могут быть использованы для совершенствования экологического мониторинга и при проведении мероприятий по реабилитации территорий, загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.

Цель работы. Геоэкологическая оценка состояния природных и природно-техногенных систем в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса с применением современных методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картирования, ГИС-технологий с целью совершенствования экологического мониторинга исследуемой территории.

Задачи:

1. Обоснование и выбор приоритетных показателей, методов и технологий для геоэкологической оценки природно-техногенных систем в районе исследования.

2. Апробация методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картографирования, ГИС-технологий в геоэкологической оценке природного комплекса в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.

3. Выявление сезонной и многолетней динамики состояния природного комплекса в условиях техногенного загрязнения и геоэкологическая оценка исследуемой территории.

4. Разработка утилит для предварительной подготовки данных дистанционного зондирования с дальнейшей тематической обработкой и использованием программных средств: ENVI 4.5, Mapinfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.

5. Разработка рекомендаций по созданию системы геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе КЧХК с использованием методов аэрокосмического мониторинга и ГИС-технологий.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются природные и природно-техногенные системы в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса. Предмет исследования - геоэкологическая оценка и мониторинг территории в зоне влияния объектов Кирово-Чепецкого химического комбината с использованием аэрокосмических методов.

Методы исследования. В проведении работ по геоэкологической оценке природных и природно-техногенных систем использованы методы наземных исследований, дешифрирования материалов аэрокосмических съемок, автоматизированной обработки данных и геоинформационного картографирования результатов исследования, программирования, методы сравнительно-географического и пространственного анализа, физико-химические и биологические методы. В качестве программного обеспечения для обработки данных использовались пакеты программ ENVI 4.5, Mapinfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.

Обоснованность и достоверность полученных результатов в геоэкологической оценке территории обеспечивалась применением традиционных классических и аэрокосмических методов, ГИС-технологий, единством подходов к сбору, обработке, анализу и картографированию данных, а также использованием представительных результатов наземных и аэрокосмических исследований.

Научная новизна диссертационного исследования 1. Создан банк многолетних (за период с 1973 по 2008 гг.) данных спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведена обработка разновременных разномасштабных космических снимков. Выявлена высокая эффективность аэрокосмических, информационных методов, позволяющих одномоментно провести геоэкологическую оценку всего комплекса, в том числе труднодоступных участков, за большой промежуток времени, и сравнить

состояние природно-техногенных систем. Разработана новая программа СеоШ, которая расширяет функциональные возможности используемых программных продуктов.

2. Впервые построены оценочные карты сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса, индекса влагосодержания, динамики русловых процессов, изменения ландшафта в процессе строительства и эксплуатации объектов КЧХК с использованием данных ДЗЗ и современных ГИС-технологий с целью выявления изменений экосистем, прогноза развития опасных природных и природно-техногенных процессов. Предложен новый Нормализованный разностный цианобактериальный индекс для оценки экологического состояния водоемов с использованием методов дистанционного зондирования Земли.

3. Впервые проведена геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, выявлены ареалы химического, радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. По данным тематических карт природных сред и объектов построена комплексная карта техногенного загрязнения природных сред и объектов в районе КЧХК.

4. Разработан модуль системы геоэкологического мониторинга природно-техногенного комплекса в районе КЧХК с использованием аэрокосмических методов и ГИС-технологий, который может быть положен в основу разработки программы и создания системы комплексного экологического мониторинга исследуемой территории.

Практическая значимость работы заключается в том, что материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса могут быть использованы при проведении мероприятий по реабилитации территории и водных объектов, химически и радиационно загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.

Апробированные в ходе диссертационного исследования методы дистанционного зондирования, геоэкологического картирования,

разработанные компьютерные программы, структурно-функциональная схема системы геоэкологического мониторинга могут стать основой при разработке программы и создании системы комплексного экологического мониторинга р. Вятки - основного источника водоснабжения областного центра г. Кирова - и природно-техногенного комплекса в районе КЧХК.

Разработанный новый метод оценки степени техногенного загрязнения водоемов с использованием данных ДЗЗ является информативным и рекомендуется в системах экологического мониторинга водных объектов.

Технология выявления зон аккумуляции, размыва, подтопления, смещения русла, изменения площади обводненных территорий на основе данных ДЗЗ позволяет делать прогнозы скорости размыва берегов, выявлять зоны подтопления, что крайне необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации объектов, расположенных в прибрежной зоне.

Разработанный спецкурс "Аэрокосмические методы и технологии геоэкологического картирования в оценке состояния природных и природно-техногенных систем" реализуется в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению Экология; магистров и бакалавров по направлению 020.800.68-Экология и природопользование; магистров по направлению подготовки 020100.68 - Химия.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (г. Киров, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Всероссийской научно-практической конференции молодёжи «Экология родного края - проблемы и пути их решения» (г. Киров, 2009, 2010, 2011 гг.), Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, Республика Коми, Россия, 2009 г.), IV Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. уч. «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов. 2009, 2011), 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в

регионах России» (Воронеж, 2010), IV Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах», 2010 г. (Бе�