Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическое картирование природно-техногенных систем на основе ГИС-технологий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое картирование природно-техногенных систем на основе ГИС-технологий"

На правах рукописи

Соловьев Константин Станиславович

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ (НА ПРИМЕРЕ ЖИРНОВСКОГО НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО РАЙОНА ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ростов-на-Дону 2005 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и геоэкологии Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Л.А. Анисимов

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.И. Коробкин

кандидат географических наук, О.В. Пермякова

Ведущая организация: НИИ Региональных природно-хозяйственных систем

Волгоградского государственного университета

Защита состоится «25» января 2006 года в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.12 по специальности 25.00.36 -Геоэкология при Рос-товском-на-Дону государственном университете по адресу: 344090, г.Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет РГУ, ауд. 210, т/ф. (863) 222-57-01

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Рос-товского-на-Дону государственного университета по адресу: 344006, г.Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » декабря 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

4 Т.А. Смагина

2ВОв°

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В Волгоградской области, начиная с конца 50-х годов прошлого века и по настоящее время, было открыто, введено в эксплуатацию и частично законсервировано около ста нефтяных, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений. Поиск новых и разработка ранее открытых, но не использовавшихся месторождений углеводородного сырья продолжается. Работа нефтепромыслов оказывает негативное влияние на компоненты природной среды данного региона. Разработка месторождений началась с конца 50 - начало 60 годов, когда вопросам экологической безопасности уделялось мало внимания, поэтому территории нефтепромыслов ныне загрязнены нефтепродуктами, почвы нарушены и засолены минерализованными пластовыми водами. Месторождения расположены в долинах малых рек, в рекреационных зонах, на городских и сельскохозяйственных землях. В зонах прокладки межпромысловых и магистральных нефтепроводов ежегодно происходят аварии с разливом нефти. Рекультивируются в лучшем случае 50% площади загрязнения. Поэтому весьма актуальным является вопрос комплексного геоэкологического исследования существующих природно-техногенных систем. В качестве инструмента исследования все более целесообразным становится использование современных географических информационных систем и технологий.

В настоящее время из 33 административных районов Волгоградской области 16 имеют на своей территории объекты нефтегазового комплекса. Наибольшую концентрацию данных объектов имеет Жирновский район. Из-за мощной антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, связанной с работой нефтегазодобывающего комплекса, интенсивной разработкой твердых полезных ископаемых и т. д., район относится к наиболее экологически напряженным в Волгоградской области.

Цель работы. Совершенствование методов геоэкологического картирования природно-техногенных систем в нефтегазодобывающем комплексе на основе применения географических информационных систем (ГИС).

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

- оценка возможностей ГИС-технологий для решения практических задач взаимодействия природных и техногенных объектов на территории нефтегазодобывающего района;

- анализ состояния техногенных систем как источников негативного воздействия на природную среду Жирновского нефтегазодобывающего района;

- разработка специализированной ГИС и создание базы географических данных, включающей информацию по компонентам природно-техногенных систем;

- разработка методики геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;

- решение научных и практических задач геоэкологической направленности нефтегазодобывающей территории на основе созданной ГИС.

Объектами исследования являются основные компоненты природно-техногенных систем на территории исследуемого района: рельеф, поверхностные и подземные воды, почвы и грунты, атмосферный воздух, геологическая среда, растительный и животный мир.

Методы исследований: При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, геоинформационного картирования, физико-географического районирования, математического моделирования, дешифрирования космо- и аэросъемки, оценки риска, учитывающие специфику ландшафтных условий района исследования.

Научная новизна: Проведено геоэкологическое исследование природно-техногенных систем Жирновского района, при этом достигнуты следующие научные результаты:

- на уровне современных технологий для изучаемого района впервые создана специализированная ГИС геоэкологической направленности для исследования природно-техногенных систем;

- разработана методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;

- разработана схема информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района;

- построены цифровые картографические модели разрабатываемых месторождений данного района;

- построены прогнозные модели аварийных ситуаций: прокола нефтепровода с расчетом объемов излившейся нефти и затопления территории нефтепромысла паводковыми водами;

- построена карта районирования территории по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов.

Практическая ценность и реализация работы: Разработаны подходы к решению практических задач экологического, геологического, технологического характера с использованием современных технологий.

Полученные результаты исследования используются при составлении экологического обоснования текущего состояния разработки месторождений, проведении мониторинга окружающей среды, подсчете запасов углеводородного сырья, проектировании наклонно-направленных, вертикальных скважин и скважин с горизонтальным окончанием, проектировании этапов геоэкологических исследований, выполняющихся в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть».

Основные положения диссертации использованы на геолого-географическом факультете Ростовского-на-Дону государственного университета при подготовке курса лекций и практических занятий по геоэкологии.

Созданная база географических данных и реализованные на ее основе информационно-аналитические системы могут быть использованы как образец при решении аналогичных задач в других регионах.

Фактический материал и личный вклад автора: При подготовке диссертации использованы результаты личных исследований автора, а также фактический материал производственных организаций нефтяной отрасли. В работе также используются материалы камеральных исследований, проанализированы и обобщены ранее опубликованные работы по данной проблеме.

При непосредственном участии автора обработаны, систематизированы и сведены в единую базу картографические материалы, проведена оцифровка и пространственная привязка природных, техногенных и социальных объектов четырех топографических листов масштаба 1:200000, четырех - масштаба 1:25000, оцифрованы 1500 скважин различного назначения, описаны допустимые значения некоторых атрибутивных характеристик определенных объектов, обработаны и дешифрированы космоснимки разных лет.

На защиту выносятся:

1. Содержание специализированной географической информационной системы как инструмента геоэкологической оценки территории нефтегазодобывающего района.

2. Методика геоэкологического картирования и моделирования природно-техногенных систем на основе базы географических данных.

3. Комплект аналитических карт и цифровых картографических моделей, отображающих структуру и функционирование природно-техногенных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на заседаниях Ученого Совета ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть», на заседании кафедры инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ, а также на всероссийских и региональных научно-практических конференциях: «Геологи XXI века» (Саратов, 2003), «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии» (Томск, 2003), «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2003), «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли» (Бугульма, 2003), на Конкурсе молодых ученых и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (Волгоград, 2004, 2005), где автор занял призовые места.

Публикации. Список опубликованных автором по теме диссертации научных работ включает 9 наименований.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, в том числе 4 таблицы,4 схемы, 35 рисунков. Список использованных источников включает 100 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - доктору геолого-минералогических наук, профессору Л. А. Анисимову за направление исследований и поддержку в написании диссертационной работы; искреннюю признательность за научные консультации и конкретную помощь во время работы над диссертацией д.г.-м.н., проф. С.В.Кузнецовой, д.г.-м.н., проф.

A.В.Бочкареву, д.г.-м.н., проф. М.А.Шубину, к.г.-м.н. Г.О.Одолееву, к.г.-м.н.

B.А.Бочкареву, к.г.-м.н. А.Н.Степанову, к.т.н. В.Н.Ботвинкину, А.Н.Глазунову, В.И.Самохвалову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена описанию основ географических информационных систем и технологий. Затронуты вопросы истории становления ГИС.

Первые геоинформационные системы предназначались для решения достаточно узких утилитарных работ, связанных с инвентаризацией, кадастром, учетом пространственно емких ресурсов (земельных, лесных, водных, минерально-сырьевых), либо социально-экономических характеристик территории, являясь, по существу, средством автоматизации ведомственного документооборота и обработки статистических данных.

Современные геоинформационные системы представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы.

Основным признаком, отличающим «географические» информационные системы (ИС) от иных административно-управленческих ИС и АСУ, есть признак или свойство пространственной привязки данных, которое таит в себе огромные возможности пространственного анализа и синтеза разнообразных данных на единой позиционной основе.

Географическая информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, осуществляющий сбор, отображение, обработку, анализ и распространение информации о пространственно распределенных объектах и явлениях на основе электронных карт, связанных с ними баз данных и сопутствующих материалов. Это мощное современное средство решения разнообразных задач, в числе которых:

- создание высококачественной картографической продукции;

- связывание графических объектов с информацией в базах данных;

- представление данных в виде карт, диаграмм, графиков, схем;

- анализ пространственных данных, моделирование обстановки;

- поддержка принятия управленческих и оперативных решений;

- интегрирование данных из разных источников информации;

- взаимодействие с другими информационными системами и технологиями.

По сфере использования ГИС не имеет себе равных. Они применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д.

Наиболее полно рассмотрены вопросы использования ГИС-технологий при организации географических данных в вертикально интегрированных неф-

тяных компаниях. Приведен перечень сфер возможного использования ГИС-технологий в данных компаниях.

Во второй главе дается геоэкологическая характеристика природно-техногенных систем Жирновского нефтегазодобывающего района. Геоэкологические исследования на территории изучаемого района проводили: Акимова A.A., Безродный Ю.Г., Новикова C.B.; ГИС-технологии при данных исследованиях применяют сотрудники Саратовского государственного университета: Макаров В.З., Пролеткин И.В., Чумаченко А.Н.

Проанализировано современное состояние природных составляющих: климат, рельеф, поверхностные и подземные воды, геоморфология, почвы и земельные ресурсы, биота; состояние техногенного блока: промышленные предприятия, автотранспорт, отходы производства, а также социально-экономические данные.

Такой анализ характеризует существующие природно-техногенные системы как сложные образования с определенными взаимосвязями между составляющими. При исследовании систем и изучении принципов их работы особое внимание следует уделять использованию комплексного подхода. Это подразумевает обработку гигантских объёмов информации как пространственно распределенной, так и статистической, что возможно только при наличии у специалиста мощного инструмента обработки и анализа разнородной информации - географической информационной системы. Применение ГИС позволяет получить необходимую достоверную и наглядную информацию о структуре и функционировании природно-техногенных систем. Весь этот объем информации принадлежит различным предприятиям и организациям, хозяйствам и ведомствам, хранится в различных форматах и видах. Для комплексного геоэкологического исследования и моделирования компонентов природно-техногенных систем и изучения их взаимосвязей в пределах исследуемой территории необходимо наличие всей информации в одном месте, в одинаковых форматах и т.д. Для этого требуется база географических данных.

В третьей главе рассмотрена методика организации, хранения и работы с пространственной информацией. Основой любой специализированной географической информационной системы является объектно-ориентированная модель данных - база географических данных (БГД). Объекты в БГД хранятся в связанных реляционных таблицах. Каждый пространственный объект имеет пространственную привязку и форму, которая хранится в специальном поле, описывающем его геометрию. Объекты объединяются в классы пространственных объектов, что позволяет более правильно описывать их поведение. Также в БГД могут храниться классы отношений и объектные классы (таблицы). Классы группируются в наборы.

Используя данную методику, в работе запроектирована и реализована персональная БГД для комплексного геоэкологического исследования структуры и функционирования природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района.

Вся работа проводилась в географической информационной системе Агс0188.

В основу положены топографические карты 1:200000 масштаба (растровая составляющая БГД), а также созданные на их основе топографические цифровые карты (ТЦК) в векторном формате. Для детальных исследований возможно использование крупномасштабных карт. ТЦК содержит информацию об объектах местности: их местоположение и геометрическую форму (пространственный адрес), количественные и качественные характеристики (атрибутивная информация), а также метаданные. Все пространственные объекты ТЦК представляются в виде объектов, объединяемый в единый класс при сходной геометрии (точка, линия или полигон) и наборе атрибутов. Класс пространственных объектов представляет, например, объекты автодорог или населенных пунктов. Классы объектов группируются в логически связанные наборы классов пространственных объектов, которые могут иметь топологические зависимости. Каждый пространственный объект имеет уникальный идентификатор и сопровождается связанными с ним атрибутивными данными. Также каждый объект имеет значение классификатора, отображающего однозначную принадлежность к тому или иному объекту на топографической карте. Классификатор объектов представляет собой систематизированный свод наименований и кодовых обозначений объектов, их признаков и значений признаков. Классификатор основан на принятой системе классификации и кодирования объектов цифровых топографических карт. Для большинства атрибутивных полей классов пространственных объектов определены домены, устанавливающие правила, не разрешающие при редактировании атрибутивных значений заносить данные, выходящие за рамки этих правил. Согласно значению классификатора, разработаны стили условных знаков, служащие для отображения пространственных объектов. Условные знаки соответствуют принятым в топографии условным обозначениям.

Все данные организованны согласно запроектированной структуре БГД:

- геодезическая основа;

- рельеф;

- гидрография, гидротехнические сооружения, батиметрия;

- растительный покров, грунты;

- населенные пункты;

- промышленные, сельскохозяйственные, социально-культурные объекты;

- коммуникации и сооружения;

- политико-административное деление.

Для персональной базы геоданных определена система координат, в которой хранятся все пространственные объекты - географическая система координат, использующая параметры эллипсойда Красовского и геодезический датум Пулково. Хранение пространственных объектов БГД в географической системе координат позволяет легкое их перепроецирование программными средствами

АгсСТЗ в любую картографическую проекцию, а также исключает появление некорректных значений в атрибутивной таблице.

Отдельно создана поисковая система, основанная на номенклатурной разграфке топографических карт всего масштабного ряда. Она предназначена для формирования перечня карт и их показа на дисплее монитора, содержащихся полностью или частично в пределах некоторой области, или затрагивающих заданную точку или линию местности. Тут же возможно решение задачи определения наличия или отсутствия запрашиваемого номенклатурного листа. По мере необходимости возможно дополнение данной системы с целью классификации существующих листов топокарт по различным критериям: год издания, год обновления, состояние бумажного экземпляра и т.д.

В четвертой главе представлена разработанная методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы географических данных.

Выделяются 5 основных этапов применения ГИС при геоэкологических исследованиях:

- создание электронной ландшафтной карты, база данных которой должна объединять сведения обо всех компонентах геосистем, включая информацию о наличии и стоимости промысловых видов природных ресурсов (экономическая составляющая БД);

- оценка устойчивости геосистем (и их отдельных компонентов) к различным видам антропогенного воздействия на основе интегральных балльных оценок по факторам устойчивости и добавление этих оценок в базу данных электронной ландшафтной карты (экологическая составляющая БД);

- интеграция карт устойчивости геосистем к техногенной нагрузке с картами объектов обустройства и выделение потенциально опасных для хозяйственного освоения участков территории (оценка экологического риска);

- выбор оптимальной стратегии при проектировании с учётом как экономической, так и экологической составляющих базы данных (поддержка принятия управленческих решений);

- организация на базе ГИС системы экологического мониторинга с использованием материалов наземных (полевых) наблюдений и ДДЗ, включая космические снимки сверхвысокого разрешения.

Основной объём пространственной информации, хранящейся в системе, составляют данные, полученные в результате пространственного анализа в ГИС. В роли информационных полюсов выступают ландшафтная карта и цифровая модель рельефа(ЦМР). От этих полюсов «меридианами» расходятся информационные связи с другими, в основном, производными тематическими картами. При построении ландшафтной карты, для определения границ геосистем более высокого иерархического уровня (типов местности), важным источником информации являются данные дистанционного зондирования (ДДЗ): материалы аэрофотосъёмки, а также космические снимки высокого и сверхвысокого разре-

шения. Они отражают состояние поверхности Земли на момент съемки и дают основу для системного подхода к исследованию природно-техногенных ландшафтов, так как снимок представляет собой уменьшенную пространственную многокомпонентную модель изображенной на нем территории. Для грамотной работы со снимками их сначала привязывают к растру топокарты, затем выделяют полигоны со сходной яркостью и структурой изображения, которые сопоставляются с данными топокарты, лесной инвентаризации и т.д. Следующим шагом является определение границ геосистем уровня урочищ. На этом уровне районирования усиливается роль границ растительного и почвенного покрова. Построение цифровой модели рельефа осуществляется при помощи пространственных данных хранящихся в созданной персональной БГД: высотные отметки, горизонтали, гидросеть, урезы воды, батиметрия. Полученная триангуляционная сеть служит основой для последующих карт углов наклона поверхности, экспозиций склонов, геохимических миграций на основе поверхностного стока, а также трёхмерных моделей.

Для определения устойчивости ландшафтов к различным видам антропогенного воздействия можно использовать интегральные балльные оценки по следующим факторам устойчивости:

- мощность геосистемы (общая биомасса);

- увлажнённость (соответствие накопленной в системе влаги величине испаряемости);

- возможность развития эрозионных процессов;

- динамическое состояние.

Так, для оценки эрозионной опасности земель необходимо определить средний уклон каждой геосистемы. Для этого проводится наложение ландшафтной карты и карты рельефа на основе цифровой модели рельефа, а затем проводится статистический анализ полученного векторного покрытия, в котором каждому полигону соответствует только один тип ландшафтной системы и только один участок триангуляционной сети с полным набором атрибутивной информации в базе данных (площадь, тип урочища, угол наклона, экспозиция склона и т.п.). Полученная балльная оценка должна быть усилена дополнительными коэффициентами КР (наличие растительности) и КП (характер почвенного покрова).

При эксплуатации месторождения вследствие технологических, организационно-технических, механических отказов, а также стихийных бедствий могут возникнуть различные аварийные ситуации, в результате которых происходит непредусмотренное штатным режимом работы оборудования залповое загрязнение компонентов природной среды. Предрасположенными к аварийным ситуациям являются:

- нефтяные и нагнетательные скважины;

- выкидные линии скважин, нефтесборные коллекторы, межпромысловые нефтепроводы, газопроводы, напорные водоводы;

- оборудование и аппараты сборных пунктов, замерные установки.

Поэтому весьма актуальным является вопрос оценки экологического риска, учитывающей специфику ландшафтных условий места аварии. В существующих методических и нормативных документах, научных публикациях, посвященных оценке риска, как правило, не достаточно рассматриваются природные условия и территориальные особенности мест аварий, не дается их квалифицированный геоэкологический анализ. В основном определяется ожидаемая вероятность аварии, в зависимости от частоты «отказов». Следствием этого является необходимость создания адекватных пространственно-временных моделей экологического риска, в которых комплексно оценивались бы специфика как природной, так и инженерно-технической подсистем и подсистемы управления нефтепромыслом (нефтепроводом)(Макаров, 2004). Для решения указанной проблемы привлечены методологический инструментарий ландшафтной географии и геоэкологии, методы геоинформационного картирования и данные аэро- и космосъемки. В связи с этим разработана схема информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района (схема 1).

Схема 1 - Информационное обеспечение геоэкологической ГИС

Расчеты затронет* атмосферы

Карта ыаксиыадыап прнхмных итцлггрытй ЗВ

"ЭиыюпмескнЙ

Принятие решений

Данные, полученные в результате пространственного анализа в ГИС

Карп

углов

Карп мйспетп объектов

Карга геохимически* мм раций яа основе

110всрктк.-гнтп стока

Карта эрршвшюй опасности

Участки аотчожисги (квпмштня

Карта устойчяаостм ландшафтов к антропогенной нагрузке

Карта ущерба природным ресурсам

степени шологичсисой приролмшл ь^оавии«

Прост- ипайстаениою испод ь докати территория

В процессе реализации проекта на базе ГИС организуется система экологического мониторинга территории. На этом этапе также возможно использование ДДЗ. Целью исследований является оценка изменений компонентов природ-

ной среды в сфере воздействия каждого объекта (скважины, нефтегазопроводы) для принятия своевременных мер по их предотвращению. С этой целью на выбранных участках организуется система локального мониторинга для контроля и оценки загрязнения атмосферного воздуха, почв, грунтов, поверхностных и подземных вод. На площадке отбираются пробы почвы и грунта из шурфов для определения фоновых значений химического состава, содержания нефтепродуктов и газового состава почвенного воздуха. На всех этапах наблюдений приоритетным является контроль состояния объектов гидросферы с акцентом на поверхностные воды и подземные воды зоны активного водообмена, используемые проживающим на этой территории населением на питьевые и хозяйственные нужды, а также производственные нужды нефтепромысла. Для этого из поверхностных водотоков, водоемов и колодцев отбираются пробы воды на химический анализ, анализы водорастворенного газа и органического вещества, нефтепродуктов. Для изучения динамики загрязнения во времени и пространстве создается сеть режимных наблюдательных скважин. В полевых условиях целесообразно использование GPS приемников, которые позволяют проводить высокоточное позиционирование мест отбора и передавать полученную информацию для дальнейшей обработки в геоинформационных системах. Количество и глубина наблюдательных скважин определяется в зависимости от конкретных гидрогеологических условий. Периодичность опробования один раз в квартал. Обобщение результатов анализов реализуется в виде графиков изменений различных параметров во времени и по разрезу, а также в виде специальных карт. Составляются карты гидроизогипс для определения направления и скорости загрязнения подземных вод, а также карты для определения масштабов и степени загрязнения подземных вод на площади и разрезы - по глубине. На основе всех этих данных составляются прогнозы загрязнения, и разрабатываются мероприятия по защите компонентов природной среды.

В пятой главе описываются информационно-аналитические системы, разработанные на основе данных из созданной БГД для геоэкологического исследования природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района.

В целях демонстрации универсальности созданной БГД в качестве объектов исследования выбраны различные природно-техногенные системы на территории исследуемого района.

Для построения ландшафтной карты выбран коридор под строительство линейной части проектируемого газопровода и сопутствующих сооружений, а также зона влияния шириной 2 км вдоль трассы. В объемы проектирования линейной части, кроме подземно прокладываемого на глубине не менее 1,0 м газопровода, входит строительство вдольтрассовых сооружений (ВЛ-10кВ, технологической связи, системы телемеханического управления, крановая арматура, электрохимзащита и пр.), а также компрессорная станция Жирновская.

Пересекая территорию района почти строго с севера на юг, трасса газопровода пролегает по целому ряду зональных и интразональных ландшафтов, смена которых обусловлена увеличением в том же направлении количества поступаю-

щего тепла и снижением увлажнения по мере приближения к прикаспийским пустыням.

Согласно физико-географическому районированию и ландшафтному картированию Волгоградской области в пределах трассы газопровода последовательно сменяют друг друга два зональных типа ландшафта: лесостепной с черноземными почвами эрозионно-денудационных плато и степной с каштановыми поч-, вами возвышенных водораздельных эрозионно-денудационных поверхностей.

Кроме зональных трасса пересекает целый ряд интразональных ландшафтов, связанных с верховьями притоков р. Медведицы и других малых рек и ручь-, ев. Здесь преобладают достаточно однотипные лесо-лугово-болотные природно-

территориальные комплексы поймы и низких террас.

Для морфологической структуры лесостепных и степных приволжских ландшафтов характерен ряд доминирующих типов местности, связанных с лито-лого-геоморфологическими и тектоническими особенностями строения пересекаемых трассой западных склонов Приволжской возвышенности и урочищ, обусловленных изменением почвенно-растительного покрова на определенных формах рельефа и их элементах.

Лесостепной тип ландшафта на территории трассы представлен подтипом южной лесостепи, которая характеризуется чередованием небольших (100300 га) лесных массивов с остепненными злаково-разнотравными лугами на выщелоченных южных черноземах. Ландшафт южной лесостепи занимает самую северную часть трассы, до долины р. Перевозинки. Отроги Приволжской возвышенности здесь имеют широтное и субширотное простирание, а абсолютные высоты достигают 270-300 м. Залегающий под песчаниками глинистый водо-упор, обеспечивающий неглубокое залегание грунтовых вод и повышенное (по сравнению со степными ландшафтами) количество осадков, из-за общей приподнятости рельефа, обусловили достаточно широкое распространение в северной части Жирновского района водораздельных, так называемых, нагорных лесов, чередующихся с луговыми степями и остепненными лугами.

Далее на юг по трассе, вследствие возрастающей континентальное™ климата, лесостепной тип ландшафта сменяется степным с каштановыми почвами эрозионно-денудационных плато. Водораздельные леса исчезают, а разнотравные степи сменяются злаковыми. Количество осадков постепенно убывает до 300 мм и коэффициент увлажнения падает до 0,3. Степной тип ландшафта разделяется < на два подтипа, соответствующих двум физико-географическим подзонам: уме-

ренно засушливых разнотравно-типчаково-ковыльных степей на темно-каштановых почвах низких плато и сухих типчаково-ковыльных степей на каш* тановых почвах в комплексе с солонцами высоких плато.

Трасса пересекает ландшафт разнотравно-типчаково-ковыльных степей с темно-каштановыми почвами на участке от долины р. Перевозинки до широты балки Липовой и с. Крачки. Южнее на высоких плато Иловлинско-Медведицкого водораздела (Доно-Медведицкий вал) господствуют ландшафты сухой типчаково-ковыльной степи с каштановыми почвами в комплексе с солонцами, последние иногда преобладают.

Природно-территориальные комплексы разнотравно-типчаково-ковылыюй степи низких плато представляют собой пологоувалистую поверхность с возвышающимися над окружающей местностью отдельными останцами. Климат получает черты большей континентальности и засушливости по сравнению с соседней лесостепью.

Сухие типчаково-ковыльные степи на каштановых почвах в комплексах с солонцами высоких плато тяготеют к осевой части и короткому восточному кру- • тому склону Доно-Медведицкой гряды, подвергающемуся более интенсивному расчленению оврагами, балками, небольшими речками. Количество осадков продолжает снижаться до 320 мм на западных и 300 мм на восточных склонах. •

Картографическое отображение свидетельствует, что основные элементы морфологической структуры степного ландшафта (местности и урочища) в целом повторяют таковые же лесостепей. Однако качественно, по содержанию основных компонентов природной среды, по их устойчивости и уязвимости к антропогенным факторам, степные ПТК заметно отличаются от лесостепных, а природные компоненты сухой степи - от умеренно засушливой. Эти отличия в наибольшей степени проявляются на уровне урочищ, концентрирующих как патогенные, так и биогенные особенности территории. Основным нивелирующим зональные особенности ландшафта фактором является высокая степень распа-ханности. Агрофитоценозы даже зрительно нивелируют пейзаж, однако не могут затушевать особенности почвенного покрова на полях водораздельных и склоновых урочищ.

Интразональные ландшафты представлены лесо-луговыми долинными комплексами, среди которых выделяются два подтипа: транзитных речных долин и долин малых водотоков и водоемов.

Проведена работа по определению состояния и активности развития опасных экзогенных процессов в зоне строительства - линейной эрозии, плоскостного смыва, дефляции, оползневых процессов, суффозионно-просадочных процессов, подтопления и заболачивания, засоления и осолонцевания почв. Современное экологическое состояние в километровой зоне строительства газопровода на территории Жирновского района оценивается как благоприятное. По трассе весьма незначительная активность водной (плоскостной смыв) эрозии (интенсивность составляет 0,05 мм/год), крайне редки оползни, карстовые воронки. Подтопление, заболачивание и засоление наблюдается на отдельных староорошаемых участках. Возможные прогнозные последствия строительства и экс- 1 плуатации газопровода выражаются в усилении следующих экзогенных процессов:

- Линейная эрозия - на делювиальных и лессовидных суглинках и гли- * нистых грунтах южного склона балки Поруба, вдоль автодороги Лине-во-Алешники, вблизи с. Красный Яр, Недоступово - Моисеево (густота овражной сети 2-2,5 км/км2, скорость прироста оврагов 1,5-4,0 м в год).

- Плоскостной смыв - южные склоны р.Бурлук.

- Дефляция - на распаханных территориях долины р.Медведица (вблизи Линево).

- Оползневые явления - водоразделы окрестностей с. Крячки.

- Суффозионно-просадочные процессы - локально на плоских водоразделах, сложенных карбонатными почвогрунтами.

- Заболачивание и вторичное засоление - при подъеме уровня грунтовых вод вблизи прудов, на оросительных системах.

- Подтопление - в долинах малых рек (Бурлук, Добринка, ниже земляных плотин прудов).

- Засоление почв и грунтов - отмечается по всей трассе, а наиболее опасные участки - водораздел р. Бурлук, южнее с. Крачки.

Все выше перечисленные экзогенные процессы, а также речная эрозия, обрушивание берегов являются своеобразными «единицами» экологического риска, способными вызвать ускоренное разрушение трубопроводов и разлив нефтепродуктов, что приведет к негативному влиянию на компоненты природной среды.

Для планирования таких природоохранных мероприятий как ремонт плотин в оврагах, выходящих в пойму реки Медведица и других водоемов, строительство и ремонт земляных обвалований в местах уклона нефтепроводов и водоводов к речным долинам, оврагам и другим водоемам, создание дюкерных переходов через р. Медведица, подъем уровня поверхностных вод необходимо моделирование представленных ситуаций.

Произведено моделирование ситуации прокола трубопровода. Участком для исследования был выбран реально существующий отрезок нефтепровода, соединяющий сборный пункт №3 Бахметьевского месторождения и населенный пункт Медведица. На этом участке нефтепровод пересекает водный объект -р. Медведица. Протяженность участка - 3,6 км. Авария запроекирована на отметке 2,8 км с высотной отметкой 110 м. Место аварии расположено в пойменной части реки Медведица, примерно в 300 метрах от уреза воды. Наивысшая отметка профиля трубопровода слева от места аварии, имеет значение 135 м и расположена на 0 км. Наивысшая точка справа - 131 ми расположена на отметке 3,6 км. Диаметр трубопровода - 300 мм. Площадь отверстия, образовавшегося в нем - 10 см2. Линейные задвижки, изолирующие место аварии от остальной части трубопровода, находятся на отметках 0,4 км и 3,4 км. Перекачивается нефть с плотностью 824 кг/м3.

В работе рассмотрены семь различных вариантов, показывающих основные ситуации, которые могут возникнуть на практике.

Первый из них иллюстрирует истечение нефти из отверстия в трубопроводе при безнапорном режиме, когда нефть вытекает из трубопровода под давлением собственного веса. Линейные задвижки не перекрываются. Процесс истечения происходит до полного вытекания нефти, когда давление в трубопроводе в месте аварии снижается до уровня ниже атмосферного. Расчет показывает, что нефть из трубопровода будет вытекать в течении 2 часов 51 минуты и вытечет 50,05 м3 нефти. Масса вытекшей нефти равна 41,2 т. Площадь загрязненной территории составляет 1001,8 м2, что равно 0,1 га (при условии ровной площадки).

Во втором примере расчета нефть также вытекает из трубопровода при безнапорном режиме, и задвижки не перекрываются. Авария ликвидируется за 2 часа, что снижает объем потерянной нефти по сравнению с предыдущим случаем до 45,57 м3.

Третий - шестой примеры иллюстрируют эффект (или его отсутствие) перекрытия задвижек. Объем вытекшей нефти варьирует от 33,98 до 45,57 м3.

В последнем, седьмом, примере рассматривается случай, когда процесс истечения продолжается 2 часа, из которых 1 час нефть вытекает из нефтепровода при напорном режиме (давление в начале участка - 55 атм., в конце - 3 атм.). Суммарный объем нефти равен 160,07 м3, при напорном истечении вытекло > 130,37 м3. Масса вытекшей нефти равна 131,9 т. Количество испарившихся углеводородов составляет 11,6 т. Площадь загрязненной территории составляет 3204,1 м2, что равно 0,3 га (при условии ровной площадки).

Определившись с количеством вытекшей нефти, анализируем состав грунтов в месте аварии. Это нам необходимо для условного определения количества впитавшейся нефти. Для этого подгружается класс пространственных объектов «Грунты» из персональной БГД. В нашем случае это пески, глубина пропитки составляет от 0,3 м и более. При минимальном значении объем нефте-насыщенного грунта составит 961,2 м3. Далее, используя цифровую модель рельефа, определяем маршруты утечки излившейся жидкости и возможные места ее накопления, если в рельефе имеются ямы или другие отрицательные формы, куда движутся потоки со всех окружающих склонов. Учитывая объем вылившейся жидкости, крутизну склона, скорость изливания, объем впитавшейся нефти, возможно определить площадь загрязнения. Если излившаяся нефть попадает в водоток, то, используя такую характеристику реки как ее скорость, возможно прогнозировать площадь загрязнения водной поверхности, а также выявление населенных пунктов или других социальных объектов для проведения мероприятий по ГО и ЧС.

Автором смоделирована ситуация подъема уровня воды реки Медведица в период половодья. Выявлены попадающие в зону затопления промышленные объекты Жирновского и Бахметьевского нефтепромыслов и определена затапливаемая площадь (таблица 1).

Таблица 1 - Затопление Жирновского и Бахметьевского нефтепромыслов

Уровень воды, м. Жирновский нефтепромысел, КОЛ-ВО СКВ. Бахметьевский нефтепромысел, КОЛ-ВО СКВ. Общая затапливаемая площадь, км2.

109 0 0 2,2

110 29 18 6,9

111 47 28 10,2

112 49 32 14,1

113 56 32 17,7

114 75 39 19,8

По описанной выше методике произведен мониторинг компонентов природной среды территории Жирновкого и Бахметьевского нефтепромыслов и получены следующие результаты:

• в пределах характеризуемой территории расположено большое количество разнообразных источников техногенного воздействия на компоненты природной среды;

• направленность, интенсивность и режим оказываемого воздействия меняется в пространстве нарушенной среды и во времени;

• в целях повышения эффективности производственного процесса на отдельные горизонты геологической среды оказывается дополнительное, помимо традиционного при нефтедобыче, воздействие (поддержание пластового давления, соляно-кислотная обработка);

• кроме разнообразия и, в значительной степени, изношенности оборудования, экологический риск определяется также наличием в транспортируемом флюиде вызывающих коррозию компонентов (сероводорода и песка);

• дня уменьшения (в некоторых случаях - нейтрализации) оказываемого производственной деятельностью негативного влияния проводятся разнообразные природоохранные мероприятия, а в качестве проверки их эффективности - программы мониторинга;

• по результатам химических анализов, визуальных наблюдений, обработки промысловой информации установлено:

- концентрация углеводородов в приземном слое атмосферы на границе селитебных зон не выше фоновых показателей;

- почвогрунты загрязнены нефтью и солями пластовых вод в основном в пределах рабочих площадок скважин; непосредственно за обвалов-кой число случаев загрязнения резко уменьшается, а концентрация нефти в почве значительно снижается;

- состояние поверхностных вод можно оценить как экологически благополучное: нефтепродукты нигде не зафиксированы; компоненты ПАВ практически везде меньше предельно допустимых значений; макрокомпонентный, газовый состав и минерализация соответствуют фоновым показателям; высокое содержание железа обусловлено природными факторами; ущерб речному стоку незначителен;

- подземные воды различных горизонтов испытывают гидродинамическое, термобарическое воздействие, химическое загрязнение, локальное периодическое истощение ресурсов пресных вод, однако эти факторы не влияют на условия жизнеобеспечения местного населения;

- геологическая среда территории в различных интервалах разреза испытывает разнообразные виды воздействия, в результате которых возникли техногенные виды ландшафтов, произошли изменения фильтрационных свойств пород и термобарических условий;

растительный и животный мир характеризуемой территории адаптировался к уровню много лет оказываемой нагрузки (видимых признаков деградации растительного, видового и количественного оскудения животного мира не наблюдается); • социальная чувствительность осуществляемой производственной деятельности оценивается как чрезвычайно высокая: отказ от нее гарантирует высокий уровень безработицы (альтернативное трудоустройство отсутствует) местного населения и рост социальной напряженности. Были использованы возможности созданной БГД при проведении структурно-геоморфологического анализа разрабатываемого месторождения с целью его доизучения. Данный метод проводился наряду с другими методами в рамках комплексного анализа и имел цели обоснования наличия или отсутствия показателей ландшафтно-геоморфологических индикаторов тектонических нарушений в районе выбранного месторождения. Целью комплексного анализа являлась переоценка геологической модели и обоснование наличия дополнительного потенциала месторождения по добычи углеводородов.

Объектом исследования явилось Кленовское месторождение, эксплуатируемое с 1962 года, в истории которого неоднократно возникали проблемы несоответствия проектных и фактических показателей разработки, а также текущей годовой добычи её остаточным запасам.

В пределах Клёновского вала выявлено и разведано к настоящему времени пока только одно Клёновское месторождение. Нефтяная залежь, сосредоточенная в песчанике бобриковского горизонта, имеет максимальные размеры по кровле продуктивного пласта 4,7x1,8 км. На месторождении пробурена 41 скважина различного назначения. Категория запасов (А) соответствует высшей степени изученности месторождения. При этом, несмотря на рост числа скважин, геологическая модель бобриковской залежи за более чем сорокапятилетнюю историю не претерпела изменений. Согласно этой модели, брахиантиклинальная складка осложнена поперечным узким неподтверждённым бурением литологи-ческим врезом в верхнюю половину песчаного тела, разделившего брахиантик-линаль на две складки. К этим складкам приурочены северная и южная самостоятельные залежи с различными уровнями ВНК.

Для разделённых залежей созданы трёхмерные модели в программном комплексе Landmark. Литолого-фациальная модель не выявила изменений во внутреннем строении пласта, однородного по составу и ёмкостно-фильтрационным свойствам пород продуктивного пласта по всему объёму залежи, в том числе в районе вреза. Данное обстоятельство указывало на нереальность его существования ещё и потому, что в песках узкие промоины не формируются. Напротив, для подобных условий характерны широкие долины и значительные размывы, например, расширенные песчано-алевролитовые днища голо-ценовых долин на рассматриваемой площади. Залежи, как оказалось при комплексном моделировании, разделены разрывными нарушениями (сбросо - сдвиги), прямыми и косвенными признаками наличия которых являются и результаты структурно-геоморфологического анализа.

Для проведения данного исследования с помощью средств геоинформационного пакета Агсв^ и топографических данных, хранящихся в созданной базе геоданных, автором была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) с пятиметровым интервалом сечения горизонталей для получения максимальной точности измерений. В работе использовался номенклатурный лист крупномасштабной топографической карты, на территорию которого была построена ЦМР. Необходимо подчеркнуть, что работа проводилась в камеральных условиях, что снижает стоимость проводимого исследования. Получены следующие результаты: наличие аномальных участков на продольном профиле реки Щелкан; наличие участков спрямления русла реки Щелкан с характерными для данных участков береговыми обрывами небольшой глубины (поперечное «перепиливание» возвышающейся в меридиональном направлении структуры); интенсивное ме-андрирование (с коэффициентом на участке месторождения до 1,8); наличие аномальных излучин речной долины реки Шелкан, где она меняет свое направление движения на углы в диапазоне от 90 до 170 градусов и другие. Кроме того, анализ схемы расположения крупных балок позволил выделить оси ослабленных зон, соответствующих разрывным нарушениям. По совокупности приведённых данных в деталях уточнены направление и местоположение сбросов. Разломно-блоковая модель строения Клёновского месторождения, принципиально отличающаяся от прежней структурной модели с локальным литологиче-ским экраном, выявила новые возможности для наращивания сырьевой базы данного участка.

На основе созданной БГД реализована информационно-аналитическая система по районированию территории Жирновского района по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов.

Проанализировав статьи федеральных законов «Об охране окружающей среды», «Об отходах производства и потребления», санитарных правил «Порядок накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов», санитарных правил «Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов» и других нормативно-правовых документов, и, перенеся текстовую информацию на единую картографическую основу, автором была создана цифровая интегральная карта районирования территории Жирновского района по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Районирование территории Жирновского района по условиям размещения полигонов твердых промышленных отходов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований заключаются в следующем:

• современные технологии ГИС - высокоэффективный инструмент комплексного исследования природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района, т.к. позволяют на основе пространственного анализа и синтеза на единой позиционной основе выявить закономерности, скрытые при традиционных картографических методах исследования. Их использование не заменяет, но делают более эффективной работу специалиста-природоведа;

• по результатам анализа выявлено негативное влияние существующих техногенных систем на компоненты природной среды Жирновского района;

• для изучения сложившихся взаимосвязей и понимания принципов взаимодействия компонентов природно-техногенных систем необходима обработка огромного количества статистической и пространственной информации и наличие ее в единой базе географических данных;

• запроектированная и реализованная база геоданных Жирновского нефтегазодобывающего района, включающая информацию по компонентам природно-техногенных систем, позволила на своей основе решить научные и практические задачи геоэкологической направленности, а именно:

- разработать методику геоэкологического картирования природно-техногенных систем;

- разработать схему информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района;

- построить ландшафтную карту участка проектируемого трубопровода с выделением мест активного развития опасных экзогенных процессов;

- построить цифровые картографические модели разрабатываемых месторождений данного района;

- построить прогнозные модели аварийных ситуаций: прокола нефтепровода с расчетом излившейся нефти и затопления территории нефтепромысла паводковыми водами;

- провести структурно-геоморфологический анализ территории Кле-новского месторождения, выявивший взаимосвязь газонефтеносной структуры верхнего осадочного комплекса со специфическими формами рельефа;

- построить карту районирования территории по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов;

• составленный комплект аналитических карт и цифровых картографических моделей используется при геоэкологических исследованиях природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Соловьев, К. С. Особенности использования геоинформационных технологий при составлении карт риска в нефтегазовом комплексе // Геологи XXI века: материалы Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов, Саратов, 24-26 марта 2003. - Саратов, 2003. - С. 110-112.

2. Соловьев, К. С. Использование геоинформационных технологий при составлении карт риска в нефтегазовом комплексе Жирновского района Волгоградской области // Сб. науч. тр. ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». -Волгоград, 2003. - Вып. 61.- С. 176-178.

3. Соловьев, К. С. Анализ информации о месторождении с помощью ArcGIS // Arcreview. Современные геоинформационные технологии. - 2003.- №4. - С.18.

4. Соловьев, К. С. Анализ информации об объектах нефтегазового комплекса с применением геоинформационных систем // Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии : материалы II Всерос. конф. молодых ученых, Томск, 3-6 ноября 2003. Томск, 2003. - С. 337-341.

5. Соловьев, К. С. Геоэкологическое картографирование на основе базы геоданных для предприятий нефтегазового комплекса // Экология, охрана среды, строительство : материалы VIII региональной конф. молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 11-14 ноября 2003 / ВолгГАСА, Волгоград, 2003.-С. 116-117.

6. Соловьев, К. С. Геоинформационный проект по нефтегазодобывающей территории // Геоинформатика в нефтегазовой отрасли : материалы 7-ой Всерос. науч.-практ. конф., Бугульма, 19-21 ноября 2003. - Бугульма, 2003. - С. 11-12.

7. Соловьев, К. С. Пробный проект геоинформационного банка данных // Сб. науч. тр. ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». - Волгоград, 2004. - Вып. 62. - С. 224-228.

8. Соловьев, К. С. Новые возможности старых объектов - тульский «репер N» Жирновско-Бахметьевского месторождения // Сб. науч. тр. ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». - Волгоград, 2004. - Вып. 62. - С. 121-132. (Соавторы Фадеева Г.А., Ковалева Л.В., Емелина М.Я.).

9. Соловьев, К. С. Перспективы наращивания сырьевой базы УВ в Нижнем Поволжье за счет доизучения разрабатываемых месторождений / Соловьев, К. С. [и др.] // Интервал. -2004. - №4 - С. 35-40.

Соловьев Константин Станиславович

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ (НА ПРИМЕРЕ ЖИРНОВСКОГО НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО РАЙОНА ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано к печати 07.12.2005 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Усл.- изд., л. 1,0. Тираж 100. Заказ №177

ООО «ЛУКОЙЛ - ВолгоградНИПИморнефть»

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 96 Лаборатория ЭВМ и технического обеспечения

Г261 ïï

РНБ Русский фонд

2006-4 29090

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Соловьев, Константин Станиславович

Введение

Глава 1. Геоинформационные системы и технологии

1.1. История появления ГИС

1.2. Определение ГИС и современное состояние

1.3. ГИС как совокупность систем

1.4. Информационные системы с пространственной локализацией данных

1.5. ГИС как глобальная информационная система

1.6. Цифровые карты и цифровые модели

1.7. Использование ГИС при геоэкологических исследованиях и картировании

1.8. ГИС технологии при организации данных в вертикально интегрированных нефтяных компаниях

Глава 2. Геоэкологическая характеристика территории Жирновского нефтегазодобывающего района

2.1. Природный блок 45 2.1.1. Климат

0> 2.1.2. Поверхностные и подземные воды

2.1.3. Геоморфология, почвы и земельные ресурсы

2.1.4. Растительный мир

2.1.5. Животный мир

2.1.6. Особо охраняемые природные территории

2.2. Техногенный блок

2.2.1. Промышленные предприятия и состояние атмосферного воздуха

2.2.2. Автомобильный транспорт

2.2.3. Отходы производства

2.3. Социально-экономическая характеристика района

Глава 3. Методика построения базы географических данных как основы для ф геоэкологического картирования

3.1. Модель данных ф' 3.2. Ключевые особенности базы географических данных

3.3. Содержимое базы географических данных

3.4. Структура базы географических данных

Глава 4. Методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем

Глава 5. Геоинформационное моделирование природно-техногенных систем

5.1. Ландшафтная карта участка проектируемого трубопровода

5.2. Анализ аварийной ситуации при транспортировке нефти и газа

5.3. Геоэкологический мониторинг компонентов природной среды

5.4. Структурно-геоморфологический анализ месторождения на основе ГИС-технологии

5.5. Районирование территории по критерию благоприятности размещения ф полигонов твердых промышленных отходов

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоэкологическое картирование природно-техногенных систем на основе ГИС-технологий"

Актуальность проблемы. В Волгоградской области, начиная с конца 50-х годов прошлого века и по настоящее время, было открыто, введено в эксплуатацию и частично законсервировано около ста нефтяных, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений. Поиск новых и разработка ранее открытых, но не использовавшихся месторождений углеводородного сырья продолжается. Работа нефтепромыслов оказывает негативное влияние на компоненты природной среды данного региона. Разработка месторождений началась с конца 50 - начало 60 годов, когда вопросам экологической безопасности уделялось мало внимания, поэтому территории нефтепромыслов ныне загрязнены нефтепродуктами, почвы нарушены и засолены минерализованными пластовыми водами. Месторождения расположены в долинах малых рек, в рекреационных зонах, на городских и сельскохозяйственных землях. В зонах прокладки межпромысловых и магистральных нефтепроводов ежегодно происходят аварии с разливом нефти. Рекультивируются в лучшем случае 50% площади загрязнения. Поэтому весьма актуальным является вопрос комплексного исследования структуры и функционирования существующих природно-техногенных систем. В качестве инструмента исследования предлагается использовать современные географические информационные системы и технологии.

В настоящее время из 33 административных районов Волгоградской области 16 имеют на своей территории объекты нефтегазового комплекса. Наибольшую концентрацию данных объектов имеет Жирновский район. Из-за мощной антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, связанной с работой нефтегазодобывающего комплекса, интенсивной разработкой твердых полезных ископаемых и т. д., район относится к наиболее экологически напряженным в Волгоградской области.

Цель работы. Совершенствование методов геоэкологического картирования природно-техногенных систем в нефтегазодобывающем комплексе на основе применения географических информационных систем (ГИС).

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

- оценка возможностей ГИС-технологий для решения практических задач взаимодействия природных и техногенных объектов на территории нефтегазодобывающего района;

- анализ состояния техногенных систем как источников негативного воздействия на природную среду Жирновского нефтегазодобывающего района;

- разработка специализированной ГИС и создание базы географических данных, включающей информацию по компонентам природно-техногенных систем;

- разработка методики геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;

- решение научных и практических задач геоэкологической направленности нефтегазодобывающей территории на основе созданной ГИС.

Объектами исследования являются основные компоненты природно-техногенных систем на территории исследуемого района: рельеф, поверхностные и подземные воды, почвы и грунты, атмосферный воздух, геологическая среда, растительный и животный мир.

Методы исследований: При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, геоинформационного картирования, физико-географического районирования, математического моделирования, дешифрирования космо- и аэросъемки, оценки риска, учитывающие специфику ландшафтных условий района исследования.

Научная новизна: Проведено геоэкологическое исследование природно-техногенных систем Жирновского района, при этом достигнуты следующие научные результаты:

- на уровне современных технологий для изучаемого района впервые создана специализированная ГИС геоэкологической направленности для исследования природно-техногенных систем;

- разработана методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;

- разработана схема информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района;

- построены цифровые картографические модели разрабатываемых месторождений данного района;

- построены прогнозные модели аварийных ситуаций: прокола нефтепровода с расчетом объемов излившейся нефти и затопления территории нефтепромысла паводковыми водами;

- построена карта районирования территории по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов.

Практическая ценность и реализация работы: Разработаны подходы к решению практических задач экологического, геологического, технологического характера м использованием современных технологий.

Полученные результаты исследования используются при составлении экологического обоснования текущего состояния разработки месторождений, проведении мониторинга окружающей среды, подсчете запасов углеводородного сырья, проектировании наклонно-направленных, вертикальных скважин и скважин с горизонтальным окончанием, проектировании этапов геоэкологических исследований, выполняющихся в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть».

Основные положения диссертации использованы на геолого-географическом факультете Ростовского-на-Дону государственного университета при подготовке курса лекций и практических занятий по геоэкологии.

Созданная база географических данных и реализованные на ее основе информационно-аналитические системы могут быть использованы как образец при решении аналогичных задач в других регионах.

Фактический материал и личный вклад автора: При подготовке диссертации использованы результаты личных исследований автора, а также фактический материал производственных организаций нефтяной отрасли. В работе также используются материалы камеральных исследований, проанализированы и обобщены ранее опубликованные работы по данной проблеме.

При непосредственном участии автора обработаны, систематизированы и сведены в единую базу картографические материалы, проведена оцифровка и пространственная привязка природных, техногенных и социальных объектов четырех топографических листов масштаба 1:200000, четырех - масштаба 1:25000, оцифрованы 1500 скважин различного назначения, описаны допустимые значения некоторых атрибутивных характеристик определенных объектов, обработаны и дешифрированы космоснимки разных лет.

На защиту выносятся:

1. Содержание специализированной географической информационной системы как инструмента геоэкологической оценки территории нефтегазодобывающего района.

2. Методика геоэкологического картирования и моделирования природно-техногенных систем на основе базы географических данных.

3. Комплект аналитических карт и цифровых картографических моделей, отображающих структуру и функционирование природно-техногенных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на заседаниях Ученого Совета ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть», на заседании кафедры инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ, а таюке на всероссийских и региональных научно-практических конференциях: «Геологи XXI века» (Саратов, 2003), «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии» (Томск, 2003), «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2003), «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли» (Бугульма, 2003), на Конкурсе молодых ученых и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (Волгоград, 2004, 2005), где автор занял призовые места.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, в том числе 4 таблицы,4 схемы, 35 рисунков. Список использованных источников включает 100 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Соловьев, Константин Станиславович

Основные результаты исследований заключаются в следующем:

• Современные технологии ГИС - высокоэффективный инструмент комплексного исследования природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района, т.к. позволяют на основе пространственного анализа и синтеза на единой позиционной основе выявить закономерности, скрытые при традиционных картографических методах исследования. Их использование не заменяет, но делают более эффективной работу специалиста-природоведа;

• По результатам анализа выявлено негативное влияние существующих техногенных систем на компоненты природной среды Жирновского района;

• Для изучения сложившихся взаимосвязей и понимания принципов взаимодействия компонентов природно-техногенных систем необходима обработка огромного количества статистической и пространственной информации и наличие ее в единой базе географических данных;

• Запроектированная и реализованная база геоданных Жирновского нефтегазодобывающего района, включающая информацию по компонентам природно-техногенных систем, позволила на своей основе решить научные и практические задачи геоэкологической направленности, а именно:

- разработать методику геоэкологического картирования природно-техногенных систем;

- разработать схему информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района;

- построить ландшафтную карту участка проектируемого трубопровода с выделением мест активного развития опасных экзогенных процессов;

- построить цифровые картографические модели разрабатываемых месторождений данного района;

- построить прогнозные модели аварийных ситуаций: прокола нефтепровода с расчетом излившейся нефти и затопления территории нефтепромысла паводковыми водами;

- провести структурно-геоморфологический анализ территории Кленовского месторождения, выявивший взаимосвязь газонефтеносной структуры верхнего осадочного комплекса со специфическими формами рельефа;

- построить карту районирования территории по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов;

• Составленный комплект аналитических карт и цифровых картографических моделей используется при геоэкологических исследованиях природно-техногенных систем нефтегазодобывающих территорий Жирновского района.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Соловьев, Константин Станиславович, Волгоград

1. Аксенов А. А., Векслер JI. И., Габриэлян А. Г. и др. История развития нефтегазодобывающей промышленности Нижнего Поволжья. -Волгоград: Нижне-Волжское книжное изд-во, 1967, 116 с.

2. Анисимов JI. А., Солдаткин С. И., Пролеткин И. В. Техногенез в пределах урбанизированных территорий. Саратов, 1993, С.51-58.

3. Берлянт А. М., Ушакова Л. А. Анимационное картографирование. — М.: Научный мир, 2000, 108 с.

4. Берлянт А. М. Виртуальные геоизображения. М.: Научный мир, 2001, 56 с.

5. Берлянт А. М. Геоиконика. М.: Астрея, 1996, 208 с.

6. Берлянт А. М. Геоинформационное картографирование. М.: Астрея, 1997, 64 с.

7. Берлянт А. М. Картографический метод исследования. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988.

8. Берлянт А. М. Картография: Учебник для вузов. М.: Аспект Пресс, 2002, 336 с.

9. Берлянт А. М. Карта второй язык географии. - М.: Просвещение, 1985, 192 с.

10. Брылев В. А. Природные условия и ресурсы Волгоградской области. Волгоград, 1996.

11. Брылев В. А. Памятники природы Волгоградской области. Волгоград, 1987.

12. Брылев В. А., Сагалаев В. А. Особо охраняемые природные территории: Учеб.-справ. пособие.- Волгоград: Перемена, 2000, 260 с.

13. Бугаевский Л. М., Цветков В. Я. Геоинформационные системы. -М.: Златоуст, 2000, 222 с.

14. Бугаевский Л. М. Математическая картография. М.: Златоуст, 1998.

15. Васильев А. Н., Павлов С. В., Бахтизин Р. Н., Набиев Р. Р. Геоинформационный мониторинг технологических режимов работы магистральных нефтепроводов. //АКСЗДЕУП^. Современные геоинформационные технологии. 2001. - №1(16). - С. 11.

16. Воробьев А. В. Поселения Волгоградской области. Волгоград: Станица 2, 2000, 320 с.

17. Востокова Е. А., Сущеня В. А., Шевченко Л. А. Экологическое картографирование на основе космической информации. М.: Недра, 1988, 223 с.

18. Востокова А. В., Кошель С. М., Ушакова Л. А. Оформление карт. Компьютерный дизайн: Учебник. М.: Аспект Пресс, 2002, 288 с.

19. Гармиз И. В., Кошкарев А. В., Межеловский Н. В. Геоинформационные технологии: принципы, международный опыт, перспективы развития. -М., 1989.

20. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. Под ред. А. М. Берлянта и А. В. Кошкарева. М.: ГИС-Ассоциация, 1999, 204 с.

21. Гольдберг В. М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1984, 262 с.

22. Гольдберг В. М., Путилина В. С. Процессы самоочищения поверхностных вод от нефтяного загрязнения. М.: ВИЭМС, 1996, вып.2, 19 с.

23. ГОСТ Р 51605-2000 Карты цифровые топографические. Общие требования. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 2000.

24. ГОСТ Р 51606-2000 Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 2000.

25. ГОСТ Р 51607-2000 Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 2000.

26. ГОСТ Р 51608-2000 Карты цифровые топографические. Требования к качеству. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 2000.

27. ГОСТ Р Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 1996.

28. ГОСТ Р 52055-2003 Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования. // Москва, ИПК Издательство стандартов, 2003.

29. Жалковский Е. А., Халугин Е. И., Комаров А. И., Серпуховитин Б. И. Цифровая картография и геоинформатика. Краткий терминологический словарь. М.: Картгеоцентр - Геодезиздат, 1999, 46 с.

30. Жуков В. Т., Новаковский Б. А., Чумаченко А. Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование. — М.: Научный мир, 1999.

31. Жулидова А. Н., Шаповалова Е. Н. Почвы Жирновского района Волгоградской области и их использование. Очерк. Волгоградский филиал института «Южгипрозем».-Волгоград, 1976, 106 с.

32. Закон РФ «Об охране окружающей среды», М., 2002.

33. Закон РФ «Об отходах производства и потребления», М., 1998.

34. Земельные ресурсы Волгоградской области. Справочник. / Под ред. А. В. Воробьева. Волгоград: Станица-2, 1997, 132 с.

35. Зейлер М. Моделирование нашего мира. Руководство ESRI по проектированию базы геоданных. М.: Изд-во МГУ, 2001, 254 с.

36. Кирсанов А. А. Использование интегрированных ГИС при геоэкологических исследованиях и картографировании. // Геодезия и картография. 1999. - №9.

37. Классификатор топографической информации. М.: ГУГК, 1986,89 с.

38. Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. -М.: Недра, 1997. 16 с.

39. Козаченко А. П., Камеристова О. Р. Геоинформационные системы мониторинга земель. // Геодезия и картография. 2000. - №5.

40. Козлитин А. М., Попов А. И. Методы технико-экономической оценки промышленной и экологической безопасности высокорисковых объектов техносферы. Саратов: Сарат. гос.техн. ун-т, 2000, 216 с.

41. Кореей С. Г., Дьякова Н. Б. ГИС-технологии в трубопроводном транспорте. //ARCREVIEW. Современные геоинформационные технологии. -2002. -№2(21). -С. 17-18.

42. Котельников В. М. Перспективы нефтегазоносности девонских отложений в Терсинской впадине и условия формирования нефтяных залежей на Кленовском поднятии. // Геология нефти и газа. 1959. - №4. — С.41-46.

43. Кошкарев А. В. Понятия и термины геоинформатики и ее окружения. Учебно-справочное пособие. М.: ИГЕМ РАН, 2000, 76 с.

44. Кравченко Ю. А. Организация базы знаний о земной поверхности. // Геодезия и картография. 2002. - №4. - С. 42-54.

45. Куприн А. М. На местности и по карте. М.: Недра, 1982, 112 с.

46. Лебедева Н. Я., Смирнова Е. В. Информационная система по нефтегазовой составляющей ТЭК. //АКСБчЕУШ^". Современные геоинформационные технологии. 2002. - №4(23). - С. 10.

47. Лисанов М. В., Мартынюк В. Ф., Печеркин А. С. и др. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах. -М.: ОАО АК «Транснефть», 1999, 94 с.

48. Лисицкий Д. В. Основные принципы цифрового картографирования местности. -М.: Недра, 1988.

49. Лурье И. К. Основы геоинформатики и создание ГИС./ Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Часть 1.-М.: ИНЭКС-92, 2002.

50. Лурье И. К. Основы геоинформационного картографирования: Учебное пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000.

51. Макаров В. 3., Чумаченко А. Н. и др. Применение ГИС-технологий при оценке факторов природного риска на нефтяных месторождениях Нижнего Поволжья // Геоинформационные системы. — 2004. №3. - С. 89-98.

52. Мамедов Э. База геоданных. //АКСБчЕУП^. Современные геоинформационные технологии. 2001. - №4(19). - С. 3-4.

53. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. М., 1999.

54. Митчелл Э. Руководство Е8М по ГИС анализу. Том 1: Географические закономерности и взаимодействия. М.: Изд-во МГУ, 1999, 190 с.

55. Михайлов С., Таргулян О. Нефтяные разливы вид из космоса. //АКСХШУГЕ^У. Современные геоинформационные технологии. - 2001. -№2(17).-С. 6.

56. Постановление Правительства РФ № 613 от 21 августа 2000 г. «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

57. Постановление Правительства РФ № 240 от 15 апреля 2002 г. «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».

58. Постановление Правительства РФ № 1404 от 23 ноября 1996 г. «О водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах».

59. Постановление Министерства здравоохранения РФ № 15 от 17 мая 2001 г. «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов».

60. Проект нормативов образования и лимитов размещения отходов. — Жирновск, 2001, 146 с.

61. Проект нормативов предельно-допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. -Волгорад, 2001, 226 с.

62. Пространственные данные ключ к успеху нефтегазовых компаний. // АКСЙЕУГЕ^У. Современные геоинформационные технологии. -2003.-№4(27).-С. 2.

63. Решение малого Совета облсовета от 25 февраля 1993 г. «Об особо охраняемых территориях Волгоградской области и режиме их использования».

64. Роберт Л. Уарфорд, Мэри Элейн Лора. Управление данными по нефти. //АКСЕЕУ1Е\У. Современные геоинформационные технологии. 2000. -№3(14).-С. 8-9.

65. Рогачев А. В. От цифровой карты к цифровой модели местности // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. - 2002. - №4(36). - С. 61-64; № 5(37).-С. 63-67.

66. Савиных В. П., Цветков В. Я. Особенности интеграции геоинформационных технологий и технологий обработки данных дистанционного зондирования. // Информационные технологии, 1999, №10, С. 36-40.

67. Сажин А. Н. Природно-климатический потенциал Волгоградской области. Волгоград, 1993.

68. Санитарные правила «Порядок накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов» М., 1984.

69. Серапинас Б. Б. Глобальные системы позиционирования. Учеб. изд. М.: ИКФ «Каталог», 2002, 106 с.

70. Соловьев К. С. Использование геоинформационных технологий при составлении карт риска в нефтегазовом комплексе Жирновского района Волгоградской области // Сб. науч. тр. ООО «ЛУКОИЛ-ВолгоградНИПИморнефть». Волгоград, 2003. - Вып. 61.- С. 176-178.

71. Соловьев К. С. Анализ информации о месторождении с помощью АгсОК // Агсгеу1еду. Современные геоинформационные технологии. 2003.-№4. - С. 18.

72. Соловьев К. С. Геоинформационный проект по нефтегазодобывающей территории // Геоинформатика в нефтегазовой отрасли : материалы 7-ой Всерос. науч.-практ. конф., Бугульма, 19-21 ноября 2003. -Бугульма, 2003.-С. 11-12.

73. Соловьев К. С. Пробный проект геоинформационного банка данных // Сб. науч. тр. ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». -Волгоград, 2004. Вып. 62. - С. 224-228.

74. Соловьев К. С. Перспективы наращивания сырьевой базы УВ в Нижнем Поволжье за счет доизучения разрабатываемых месторождений // Интервал. -2004. №4 - С. 35-40. (Соавторы Бочкарев В.А., Глазунов А.Н., Песков М. А.).

75. Сочава В. Б. Введение в учение о геосистемах. — Новосибирск: Наука, 1978, 345 с.

76. СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства». Госкомитет РФ по жилищной и строительной политике. М., 1997, 41 с.

77. Спиридонов А. И. Геоморфологическое картографирование. М.: Недра, 1974, 184 с.

78. Томпсон М., Керр Д. Геоматика и трубопроводный транспорт. //АКСКЕУ1Е\У. Современные геоинформационные технологии. 1999. - №2(9).- С. 6-7.

79. Труды ВНИГНИ. Основы методики структурно-геоморфологических исследований при нефтегазопоисковых работах. М.: Недра, 1978, 264 с.

80. Халугин Е. И., Жалковский Е. А., Жданов Н. Д. Цифровые карты. / Под ред. Е. И. Халугина. М.: Недра, 1992, 419 с.

81. Хаксольд В. Введение в городские географические информационные системы. Изд-во Оксфордского университета, 1991, 321 с.

82. Хромых В. ГИС экологического сопровождения инвестиционно-строительных проектов в нефтегазовой отрасли. //АКСКЕУБЕЖ. Современные геоинформационные технологии. 2002. - №1(20). - С. 19-20.

83. Цветков В. Я. Информатизация: Создание современных информационных технологий. Ч. 1. Структура данных и технические средства.- М.: ГКНТ, ВНТИЦентр, 1990, 118 с.

84. Цветков В. Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998, 288 с.

85. Цеховский С. Использование ГИС технологий при организации данных в крупных корпорациях для информационной поддержки принятия управленческих решений. //ARCREVIEW. Современные геоинформационные технологии. 1999. - №2(9). - С. 3.

86. Цыганков А. В. Методика изучения неотектоники и морфоструктура Нижнего Поволжья (в связи с нефтегазоносностью). -Волгоград: Нижне-Волжское книжное изд-во, 1971, 256 с.

87. Черемисина Е. Н., Кочетков М. В., Ларикова О. И. ГИС-технологии при составлении электронных геоэкологических карт. // Отечественная геология. 1996. -№11.

88. Шайтура С. В. Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга: изд-во Н. Бочкаревой, 1998, 252 с.

89. Ширяев Е. Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. М.: Недра, 1984.

90. Шухостанов В.К., Ведешин Л. А., Цыбанов А. Г. Космическая диагностика объектов техносферы. //ARCREVIEW. Современные геоинформационные технологии. 2003. - №4(27). — С. 13-14.

91. Экологический вестник. Современное состояние окружающей природной среды и государственный экологический контроль в Жирновском районе Волгоградской области. Жирновск, 2000, 72 с.

92. Экологическая программа Волгоградской области. НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов.-ВолгоградД993,335 с.

93. Andy Mitchell. Guide to GIS Analysis. Volume 1: Geographic Patterns and Relationships. New York: Environmental Systems Research Institute, Inc., ESRI Press, 1999, 190.

94. M. Zeiler. Modeling Our World. The ESRI Guide to Geodatabase Design. New York: Environmental Systems Research Institute, Inc., ESRI Press, 2001,254.

95. Michael N. DeMers Fundamentals of geographic information systems., John Wiley & Sons, inc. 1999, 490 c.