В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК 628.4

Картографическое моделирование экологического состояния агроэкосистем


Бузина И.Н., доцент
Харьковский национальный аграрный университет им. В.В. Докучаева, Украина

Рассмотрено картографическое и геоинформационное моделирование не только как средство визуализации пространственно-временной информации, но и как механизм ее анализа и оценивания. Особенно актуальным и перспективным является использование моделей, направленных на решение актуальных экологических проблем, в частности трансформации и загрязнения естественной среды, развития морфодинамических процессов и тому подобное.

Стоит отметить, что сегодня в Украине накоплен весомый опыт как картографического, так и геоинформационного моделирование состояния составляющих окружающей естественной среды. Однако остались еще много "белых пятен" в вопросе создания таких ГИС-моделей и их методического обоснования. На поиски путей решения этих проблем направлены наши исследования.

Несмотря на разные цели и задания, которые ставились перед исследователями, все они требовали построения ГИС-моделей и решались за разработанным алгоритмом [1], который совмещал:

1) сбор информации. Он включает подбор карт и соответствующего программного ГИС-обеспечения, сканирование, подготовку (сшивание отдельных листов, настройка качества изображения и тому подобное) и геокодирование картографического изображения;

2) векторизация информации с использованием технологий превращения растрового изображения в векторное;

3) обработку векторных данных для проверки и исправления топологических характеристик объектов, создания атрибутивной базы данных;

4) создание цифровой модели рельефа с избранием оптимального способа отображения форм рельефа;

5) построение моделей, которые отображают основные морфометрические и морфологические характеристики рельефа и других компонентов окружающей естественной среды, создания тематических карт (почвенной, гидрологической, ландшафтной и др.);

6) прорабатывание разновременных аеро- и космических снимков с целью определения структуры земле- и природопользование территории;

7) сбор и прорабатывание геоэкологической информации, создания базы данные, составления серии экологических и природоохранных карт;

8) выделения водоохранных, противоэрозийных, санитарных и других защитных зон на основе проработанной геоэкологической информации;

9) усовершенствование системы геоэкологического мониторинга и рационального использования природных ресурсов;

10) разработка оптимизационных мероприятий, направленных на улучшение экологической ситуации и усовершенствование схемы территориального планирования [2].

Геоинформационное моделирование вобрало в себя последние достижения картографического и математического моделирования пространственных данных в географии и экологии. На этой основе возник геоинформационный подход к экологическому картографированию. В работе нами использованы организационные принципы и методические приемы создания ГИС-проектов, которые рассмотрены в ряду отечественных и заграничных монографий и публикаций.

Подготовка основы дала возможность создать цифровую модель рельефа и отдельные перспективные планы на ключевые участки. На основе ЦМР (цифровой модели рельефа) созданы карты крутизны и экспозиции склонов. Одновременно сделаны обходы несколькими разными маршрутами и GPS-измерения с целью уточнения привязки территории, проведен подготовительный полевой съем ключевого участка, который дал возможность уточнить современную географическую ситуацию. Наибольшее внимание уделено формированию блока ландшафтно-экологической информации, в котором может быть также отображена структура горнопромышленных геокомплексов, степень их антропогенной трансформированости, уровень химического и радиоактивного загрязнения.

Использование картографического и геоинформационного моделирования хозяйственных екосистем будет иметь широкое практическое приложение в недалеком будущем. Вместе с этим, остается еще много сложных, временами далеко неоднозначных, научно методологических и методических вопросов на пересечении классической картографии и геоинформатики, которые следует решать уже сегодня.

Внимание ученых-экологов к техногенным источникам поступления тяжелых металлов в биосферу объясняется увеличением объемов промышленных выбросов и отходов [2].

Для исследований были избраны земли учебно-опытного хозяйства ХНАУ им. В.В. Докучаева сельскохозяйственного назначения вокруг частного предприятия "Перерабатывающий завод", где были отобраны образцы почвы из верхнего плодородного слоя и определено содержание подвижных форм тяжелых металлов за методом атомно-абсорбционной спектрометрии.

Образцы почв отбирались в четырех направлениях от мусорки: северо-восточному, юго-западному, северо-западному и юго-восточному, методом конверта (средняя проба содержит не меньше, чем пять точечных проб, которые взяты из одного пробного участка). Глубина взятия проб 0-20 см и 20-40 см. В отобранных образцах определяли содержание подвижных форм таких тяжелых металлов: железа, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, хрома и кадмия (Рис. 1).

При высокой степени загрязнения почв проходит не только процесс изменения и перестройки соотношения микроорганизмов, которое очень сильно отличается от незагрязненного, но и изменение некоторых химических и физических свойств почвы.

До тех пор, пока тяжелые металлы крепко связаны с составными частями почвы и труднодоступные, их негативное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется прямая угроза загрязнения почв, возникает возможность их проникновения в растения, а также в организмы людей и животных, которые потребляют эти растения.

Кроме того, тяжелые металлы могут быть загрязнителями растений и водоемов в результате использования ила стоковых вод. Угроза загрязнения почв и растений зависит от вида растений, форм химических соединений в почве, наличия элементов, которые противодействуют влиянию тяжелых металлов и веществ, которые образуют с ними комплексные соединения, адсорбции и десорбции, количества доступных форм этих металлов в почве и грунтово-климатических условий. Следовательно, негативное влияние тяжелых металлов зависит, существенно, от их подвижности, то есть, растворимости.

Схема размещения отбора образцов почв на территории агроэкосистемы

Рис.1 – Схема размещения отбора образцов почв на территории агроэкосистемы


В ходе проведения исследований, построения математической модели процессов аккумуляции тяжелых металлов и анализа статистической обработки полученных результатов с помощью интегрированной системы анализа и управления данными "STATISTICA" (Statsoft) [3] было обнаружено, что распространение тяжелых металлов на исследуемой территории главным образом зависит от высоты рельефа территории. То есть, с понижением рельефа происходит смыв и вынос с почвенными водами тяжелых металлов на сельскохозяйственные поля и прилегающие территории, а именно: водные объекты, которые используются местными жителями для купания и рыбной ловли, естественные источники, где постоянно наблюдается забор питьевой воды.

С помощью программного комплекса Surfer 9, была создана двумерная цифровая модель исследуемой территории (Рис. 2).

На основе данной модели была создана трехмерная модель, которая отображает действительный рельеф территории, скелет местности (линии водоразделов, тальвегов, водосборные бассейны) и зоны в которых происходит накопление вредных элементов - выделено более темным цветом. (Рис. 3).

Двумерная цифровая модель рельефа территории учебного хозяйств

Рис.2 – Двумерная цифровая модель рельефа территории учебного хозяйства "Докучаевское" (сплошные горизонтали проведены через 2 м)


На основе проведенных исследований и графических построений проведены расчеты и исследовано количество вредных элементов, которые попадают в окружающую естественную среду.

Разнообразие бытовых и промышленных отходов, которые поступают на полигоны ТБО, обусловило значительные отличия в содержании химических элементов в складируемых субстратах. Апробация мелких фракций муниципальных отходов на многочисленных полигонах позволяет обнаружить значительный диапазон содержания тяжелых металлов в субстратах ТБО: Cd - от 9,5 до 1290 мг/кг; Cu - от 5,0 до 20000; Ni - от 4,0 до 512; Zn - от 34,6 до 7680; Mn - от 65,0 до 1212; Cr - от 10,4 до 2797 мг/кг.

Таким образом, вокруг полигонов ТБО существует опасность загрязнения окружающей среды за счет вынесения загрязняющих веществ от фильтратов, которые удаляются из тела полигонов, а также при контакте атмосферных осадков с субстратами полигонов [4].

"Перерабатывающий завод" (смт. Рогань), который расположен на территории Государственного предприятия учебно-опытного хозяйства "Докучаевское" было основано официально в 2002 году. На 2013 год по официальным данным его мощность составляет 9597602,3 м3 мусора.

То есть приблизительно 959760,23 м3 за год. 80 % ? 7678081,84 м3 накопленного мусора по проекту составляют ТБО, 20 % ? 1919520,46 м3 составляют отходы ІІ и ІІІ классов опасности. Деления на фракции не проводится, отходы не перерабатываются. Учитывая среднюю плотность ТБО, которая составляет 0,19 - 0,23 т/м3, на 2013 год на мусорке находится 2015496,483т отходов.

Таблица 1 - Выход тяжелых металлов из субстрата полигона ТБО, кг

МеталлыСвинецМедьЦинкХромНикельКадмийМарганец
В среднем за год4586312,51994995,1769337,1279967,551458,0129442,8127348,6
Всего50449437,521944946,18462708,13079642,5566038,01423870,81400834,6


Согласно данным таблицы 1 количество тяжелых металлов, которые попадают в окружающую естественную среду чрезвычайно большая. Часть их попадает в почвы, грунтовые воды, часть образует разнообразные опасные соединения, но все они представляют опасность для окружающих экосистем.

По данным исследований морфологического состава твердые бытовые отходы, которые образуются в м. Харькове и складируются на данном полигоне, в среднем содержат (в % за массой):

  • в жилищном секторе: пищевые отходы - 54,07 %, бумага и картон - 7,61 %, полимеры - 7,71 %, стекло - 6,3 %, черные металлы - 2,18 %, цветные металлы - 0,23 %;
  • на предприятиях непроизводственной сферы (нежилой сектор): пищевые отходы - 22,68 %, бумага и картон - 29,84 %, полимеры - 11,91 %, стекло - 10,72 %, черные металлы - 2,7 %, цветные металлы - 2,17 %.


Трехмерная цифровая модель рельефа территории хозяйства

Рис.3 – Трехмерная цифровая модель рельефа территории хозяйства (сплошные горизонтали проведены через 2 м)


В целом же, морфологический состав исследуемой мусорки следующий: пищевые отходы, бумага и картон, полимеры, стекло, черные металлы, цветные металлы, текстиль, древесина, опасные отходы (батареи, сухие и электролитические аккумуляторы, тара от растворителей, красок, ртутные лампы, телевизионные кинескопы), которые при сгорании или разложении выделяют кадмиевые соединения, соединения ртути, аммиак, соединения меди, соединения цинка, соединения кобальта; кости, кожа, резина, остаток твердых бытовых отходов после исключения компонентов (мелкий строительный мусор, камни, уличный мусор).

В последнее время появились новые фракции в составе отходов такие как одноразовая посуда, полимерная упаковка, подгузники, картонная тара, упаковка с нанесенной цветной печатью. Гибкая упаковка в основной своей массе изготовляется из полимерных материалов с уникальными свойствами. Все технологии получения полимеров, которые существуют в настоящее время, рассчитаны на нефтяное сырье. Кроме того, утилизировать полимеры очень сложно [5].

Проведенные исследований на территории учебно-опытного хозяйства "Докучаевское" вокруг полигона твердых бытовых отходов "Перерабатывающий завод" дало возможность сделать следующие выводы:

  • полученные результаты дают основания говорить о разбалансированном и экологически нестабильном состоянии территорий и необходимость проведения срочных агротехнических мероприятий их возобновления;
  • зонами наибольшего загрязнения оказались участки с понижением рельефа, который объясняется стеканием подгрунтовых вод;
  • в результате загрязнения тяжелыми металлами почв урожайность с/г культур может быть ниже обычной более чем на 10 %, то есть содержание химических элементов достигает токсичной концентрации. При этом, микроэлементы и тяжелые металлы (или ультрамикроелементи) проявляют хотя и разное, но токсичное действие на растения.

    Ситуация, которую показали полученные нами результаты, не является критической, что было обеспеченно сбалансированным использованием и почвоохранными технологиями. Но, опираясь на многолетний опыт и результаты исследования других территорий, необходимо приложить максимум усилий, чтобы не допустить ухудшения естественного состояния территории к неудовлетворительному уровню. Для этого необходимо разработать и обеспечить выполнение ряда мероприятий с помощью фитотехнологий, исследовать, какие культурные растения обеспечат улучшение состояния почв и не будут накапливать вредные вещества в своих потребляемых частях, а также создать экологические карты территории для наблюдения и моделирования перспектив состояния вокруг мусорки.

    Библиографический список

    1. Ковальчук І.П. Андрейчук Ю.М. Інформаційне і програмне забезпечення створення атласу земельних ресурсів адміністративного району / І.П. Андрейчук Ю.М. Ковальчук, Є.А. Іванов // Часопис картографії, 2012. т.Вип. 1.-С.88-101.
    2. Давидчук В. Методи ландшафтного картографування з використанням ГІС та інших комп'ютерних технологій : [текст] / В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна // Вісник Львів. ун-ту. Серія географ. - Львів : Вид-во Львів. ун-ту, 2013. - Вип. 31. - С. 263-270.
    3. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов / В. Боровиков. - СПб.: Питер, 2001. - 656 с.
    4. Пастухова Н.Л. Детоксикация тяжелых металлов у растений [Електронний ресурс] / Н.Л. Пастухова; Донец. обл. ин-т последиплом. пед. образования. - Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/Chem_Biol/peop/2008/218-226.pdf.
    5. Кравець О.П. Сучасний стан та проблеми фітоочищення ґрунтів від радіонуклідів і важких металів / О.П. Кравець // Физиология и биохимия культ. Растений. - 2002. - № 34(5). - С. 377-386.



    26.12.15 11:23 | Tatiana (участник)
    Здравствуйте!

    С удовольствием прочитала Вашу статью. Очень понравилась статья и материалы.

    Удачи в исследованиях и публикация!

    Все комментарии (1)

 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.